JP4074777B2 - 低温下における半導体フィルムの加熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱感受性の非導電性基板の上の半導体フィルムを最小限のサーマルバジェット（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）で連続的及び効率的に加熱処理する装置に関する。より詳しくは、本発明は、液晶表示装置（ＬＣＤｓ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）、及び太陽電池用の各種用途に用いられるガラス基板上に結晶シリコン薄膜フィルムトランジスター（ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓ）及びＰＮダイオードを形成するための加熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置（ＬＣＤｓ）及び有機発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）は、平板状パネル表示装置において急速に成長してきている。現在、これらの表示システムは、薄層フィルムトランジスター（ＴＦＴｓ）を用いる活性マトリックス回路構成（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に採用されている。ガラス基板上へのＴＦＴｓの形成は、このような用途においては、必須になっている。
【０００３】
ＴＦＴ−ＬＣＤｓは、活性層（すなわち、ａ−Ｓｉ ＴＦＴ ＬＣＤ）として、一般的には、アモルファスＳｉフィルムから構成されるＴＦＴｓを用いている。最近、アモルファスＳｉフィルムの代わりに多結晶シリコンフィルム（すなわち、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴ ＬＣＤ）を用いるＴＦＴｓの開発に興味が持たれており、多結晶シリコンフィルムがその優れた画像解像度と画素分野と周辺駆動回路とを同時に合体させる利点とを有しているため、その開発に拍車がかかっている。ＯＬＥＤｓの分野においては、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓの電流誘導性が、実質的にａ−Ｓｉ ＴＦＴｓより高く、高操作機能を引き出すことができるため、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓの用途は、ａ−Ｓｉ ＴＦＴｓに明らかに差をつけてきている。
【０００４】
商業的に用いられているガラス基板上にｐｏｌｙ−Ｓｉ デバイスを形成させるための課題としては、ガラス基板が最小限のサーマルバジェットに耐える加熱処理方法の開発がある。ガラスは、６００℃以上の温度に実質的な時間さらされると容易に変形してしまう。ｐｏｌｙ−Ｓｉデバイスの形成に使用される高いサーマルバジェットを必要とする重要な加熱処理段階は、アモルファスＳｉフィルムの結晶化及びＰ（又はＮ）−型接合のために打ち込まれたドーパントの電気的活性化である。これらの加熱処理は、主に高いサーマルバジェットを必要とし、ガラスの損傷、変形を引き起こしかねない。
【０００５】
これらの問題を解決するために、種々な方法が提案されてきている。これらの方法は、次に簡潔に要約するアモルファスＳｉの結晶化とドーパント活性化に大きく分けることができる。
【０００６】
（１）アモルファスＳｉを結晶化して多結晶Ｓｉにする加熱処理
ｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムは、一般的には、化学蒸着法（ＣＶＤ）によりアモルファスＳｉフィルムを堆積し、引き続き、結晶化加熱処理のポスト−デポジションを経て得られる。
【０００７】
固相結晶化（Ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ−ＳＰＣ）は、アモルファスシリコンを結晶化させる公知の方法である。この方法において、アモルファスシリコンは、６００℃に達するまでの温度で、少なくとも数時間かかって、加熱処理をされる。一般的には、ガラス基板は、抵抗性ヒーター源（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｈｅａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）を有する加熱炉内で処理される。しかしながら、この方法における高いサーマルバジェットは、用いたガラス基板の損傷及び／又は変形を引き起こす。
【０００８】
低温下で、ガラスに損傷を与えることなくアモルファスＳｉを多結晶Ｓｉに変換するには種々の結晶化方法がある。主な方法としては、エキシマレーザー結晶化方法（ＥＬＣ）及び金属誘導結晶化法（ＭＩＣ）がある。
【０００９】
ＥＬＣ法は、ナノ−セコンドレーザーパルスを用い、アモルファスシリコンを溶融・固化して多結晶体にする方法である。しかしながら、この方法は、大量生産において、その使用に対しては重大な問題を有している。この方法により得られるｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムの結晶構造は、レーザー光線エネルギーに非常に敏感であって、その結果結晶構造が不均一となり、デバイス特性が達成されない。また、レーザーの光線の大きさは、比較的小さなものになってしまうため、小さな光線を用いて、大面積ガラスの結晶化操作を完全にするには、多重のレーザーパスまたはショットを必要とするようになる。したがって、レーザーを正確に制御するのが困難となり、結晶化操作において、多くの不均一なショットが導入されるようになってしまう。さらに、ＥＬＣ ｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムの表面は粗くなり、デバイスの機能を減じてしまう結果となる。また、通常のプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を用いた場合の堆積されたアモルファスＳｉは、高水素濃度を有しており、ＥＬＣ法においては、水素が噴出するという問題を抱えている。水素噴出を抑えるためには、長時間（＞２時間）で、高温（４５０〜４８０℃）で脱水素するという加熱処理が必要であり、ＥＬＣプロセス装置のシステムは複雑となり、高価になり、維持が難しくなってくる。
【００１０】
ＭＩＣプロセスは、結晶化反応を促進するために、アモルファスＳｉフィルムにＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのような金属元素を添加する方法である。この方法により、６００℃以下の低温で結晶化が促進される。しかしながら、この方法では、金属の混入によりｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶性能が劣るという問題があり、金属の混入は、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓの操作において、有害な電流漏れを引き起こすおそれがある。さらに、この方法の他の問題点としては、操作中に金属−ケイ化物が生成してしまうことである。金属−ケイ化物は、続いて行うエッチングプロセス段階で好ましくない他の問題を引き起こす原因となる。
【００１１】
（２）ドーパント活性化の加熱処理
結晶化プロセスに加えて、高いサーマルバジェットを有する他の熱処理方法は、ドーパント活性化アニールである。ＴＦＴｓのソースとドレイン間の領域のようなｎ型（又はｐ型）領域を形成するために、ヒ素、リン又はホウ素のようなドーパントが、イオン打ち込み法、プラズマドーピング法を用いてＳｉフィルムに打ち込まれる。ドーパントのドーピング後、シリコンは、電気的活性化（活性化アニール）のためにアニールされる。結晶化の加熱処理と同様に、アニーリングは、通常抵抗加熱源を備えた炉内で行われる。この方法は、６００℃近い高温で長時間を必要とする。したがって、サーマルバジェットを減らす新規な方法が必要とされ、先行技術の中にも報告されている。エキシマレーザーアニール（ＥＬＡ）と急速加熱アニール（ＲＴＡ）は、この目的のために用いられている方法である。
【００１２】
ＥＬＡ法は、ＥＬＣの機構と同じプロセス機構を用いている。すなわち、ナノ−セコンドレーザーパルスでｐｏｌｙ−Ｓｉの急速再溶融化と固化が行われているが、ＥＬＣにおける結晶化の問題点がここにおいても存在している。ＥＬＣプロセス間で生じた急速な熱的変化が、ガラス基板と同様にｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムに対して高い熱的ストレスを引き起こし、その結果、デバイスの信頼性の低下となっている。
【００１３】
ＲＴＡ法は、高温下に行われるが、処理時間は短い。一般的には、基板はＲＴＡの間で、温度は約７００〜１０００℃に達するが、アニールプロセスは、数分または数秒の比較的速やかになされる。タングステン−ハロゲン又はＸｅ−アークランプのような光加熱源は、しばしばＲＴＡの熱源として用いられる。ＲＴＡの問題点は、これらの光源からのフォトン放射は、シリコンフィルムのみでなくガラス基板も加熱できる波長の範囲を有しているため、このプロセス間にガラス基板も加熱され、損傷を受けてしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、先行技術の問題点に鑑み、ガラス上へのデバイスの作成において、結晶化の反応促進、ドーパント活性化の促進、さらにこれらのプロセスにおいてサーマルバジェットを軽減できる装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決するために、鋭意研究の結果、熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムを最小限のサーマルバジェットで、連続的及び効果的に加熱処理する装置を提供できることを見出し本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、本発明は、熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムを加熱処理する装置であって、
（ａ）電磁力が半導体フィルムの平面方向に平行に発生するように上側層と下側層を連続的に形成させた誘導コイルであって、熱感受性の非導電性基板とその上に堆積された半導体フィルム（以下、加熱処理体ということがある）を、上記上側層と上記下側層の間の空間に移動させることができる誘導コイル、
（ｂ）上記上側層と上記下側層の外部表面をそれぞれ覆う磁気コア、及び
（ｃ）加熱処理体の上記上側層と下側層の間の空間への移動に先だって誘導加熱のために加熱処理体を加熱する予備加熱部であって、加熱処理体の半導体フィルムが、基板の使用を可能にする最小限のサーマルバジェットで誘導加熱される範囲まで加熱されるようになされている予備加熱部
からなる装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上記半導体フィルムの代表的具体例は、アモルファスシリコンフィルム又は結晶化シリコンフィルムであるシリコンフィルムである。また、上記熱感受性の非導電性基板の代表的具体例は、ガラス又はプラスチック基板である。
【００１８】
本発明の装置によれば、半導体フィルムは、熱感受性の基板に損傷を与えることなく連続的及び効率的に加熱処理される。例えば、ガラスの使用に耐えられる最小限のサーマルバジェットでアモルファスシリコンフィルムを結晶化し、ガラスの使用に耐えられる最小限のサーマルバジェットでドーパント活性化の反応を促進することができる。
【００１９】
加熱処理体の上記シリコンフィルムは、ガラス基板上に堆積される。結晶化加熱処理の場合には、アモルファス状態から多結晶状態に結晶化され、ドーパント活性化加熱処理の場合には、ドーパント（ｎ又はｐ型）が打ち込まれて多結晶化される。
【００２０】
上記誘導コイルは、高周波電流により半導体フィルム上に交流磁束を生じさせ、その結果半導体フィルムを加熱する。
【００２１】
誘導コイルに上側層及び下側層を形成する形状において、好ましい具体例の一つは、上側の端に始まる誘導コイルは、１又は２以上の巻数で平面状に巻かれてその上側の端に戻り、上側層を形成している。また、続いて、上側の端に対応する下側の端で開始する誘導コイルは、１又は２以上の巻数で平面状に巻かれてその下側の端に戻り、下側層を形成している。上側及び下側の層において、誘導コイルの巻方向と巻数はお互いに同じである。したがって、交流磁束は半導体フィルムに対して垂直方向に均一に視準される。上側層を形成する開始点である上側の端は、下側層を形成する開始点である下側の端と同じ方向に位置するようになされている。さらに、誘導コイルが、上側層が下側層を形成する開始点にシフトさせて形成される時には、誘導コイル自身が接触するのを防ぐように両側の層を結合する部分が横に突き出るようになる。したがって、全体の形状では、上側層及び下側層はお互いに分離されている。しかし、両側の層は、誘導コイルが開始する側で結合されているが反対側で分離されている。
【００２２】
誘導コイルの過熱を防ぐために、冷却水が循環される導管（例えば、冷却水用銅製チューブ）を誘導コイルの中に設けるのが好ましい。
【００２３】
また、上側又は下側の層を形成する誘導コイルの巻層の数は、さらに強化された交流磁束を発生するようにするためには、２以上が好ましい。
【００２４】
上記磁気コアは、積層した金属コア又はフェライトコア製である。磁気コアを用いる利点は、次の３点が挙げられる。第１に、低誘導力で実質的に磁場の強度を上げることができる。第２に、磁束の分布をより均一にすることができる。第３に、磁束分布を半導体フィルムの領域上に集中させることができ、それによって、より効果的な加熱処理を行うことができ、周りに設けられた導電要素（例えば、チャンバー壁又は外部ヒーターブロック）上での磁束による好ましくない干渉を防止することができる。
【００２５】
これらの利点をさらに効果的に示す具体例としては、誘導コイルの外表面と中心部を同時に覆うように形成された磁気コアは、上側と下側層を形成するために平面状に巻かれている。すなわち、誘導コイルに対して直角な横断面では、二つのＥ−型の磁気コアが仮想中心面上で互いに向き合っている。したがって、磁気コアの外側部分は、巻かれた誘導コイルの外部表面を覆い、磁気コアの内側部分は、巻かれた誘導コイルの中心部分に挿入されている。この形状において、磁気コアの内側部分から最強の交流磁場が発生される。加熱処理体は、上側及び下側層によって形成される空間に移動し、特に対称的な磁気コアの２つの内側部分の間で連続的及び効率的に誘導加熱される。
【００２６】
上側と下側の磁気コアの間のギャップの長さは、特に限定されない。しかしながら、もし可能であるならば、強電磁場の発生のためにギャップ長さを狭くするのが好ましい。例えば、二つの磁気コアの間のギャップは、磁気コアの幅よりも狭くするように設計されるのが好ましい。
【００２７】
上記予備加熱部では、半導体フィルムを熱感受性の非導電性基板が損傷を受けない程度まで加熱され、半導体フィルムは、誘導コイルから発生する交流磁束によって誘導加熱される。通常、導電性材料の加熱処理で用いられる誘導加熱は、半導体材料の加熱処理には用いることができないことは知られている。なぜなら、後者は、非常に強い誘導力を必要とするからである。しかしながら、本発明者は、特定の温度までに加熱されると、半導体フィルムのような物質であっても、少ない誘導力で誘導加熱が可能となることを見出した。これは、従来考えられていなかったことである。したがって、上記予備加熱部は、半導体フィルムの誘導加熱のための条件を可能にさせており、また、本発明によれば、予備加熱部は、半導体フィルムを誘導コイルの上側及び下側の層により形成されかつ磁気コアが覆っている空間に移動するに先だって加熱することになる。なお、上記空間では高視準化された交流磁場が生じている。かかる予備加熱部は、半導体フィルムを根本的に加熱するものであり、予備加熱の種類としては、下記のようなものを挙げることができる。
【００２８】
第１の例として、抵抗加熱源が用いられる。抵抗加熱源は、加熱処理体の周りの雰囲気を均一に加熱し、加熱処理体の周りの雰囲気を全体的に加熱することによって、基板の損傷を最小限にすることができる。
【００２９】
第２の例として、ＡｌＮ（Ａｌｉｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）又はＢＮ（Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）のような高抵抗で熱伝導性に優れかつ電気的に非導電性な材質からなる加熱板が用いられる。加熱処理体は加熱板に載せられ、加熱板からの伝導熱により加熱される。
【００３０】
第３の例としては、高導電性の金属又はグラファイトで製造された加熱板が用いられる。この加熱板は、加熱板の上、下、横に設けられた誘導コイルによる誘導加熱によって加熱される。すなわち、加熱板は、うず電流の加熱メカニズム（すなわち、誘導加熱）を通して、交流磁場の下で加熱される。加熱処理体は、加熱板からの伝導熱により加熱される。
【００３１】
上記のような３種類のタイプを述べたが、半導体フィルムを、誘導加熱を発生させる特定の温度にまで加熱できるものであれば、いずれも採用できる。
【００３２】
予備加熱部における温度の上限は、熱感受性の基板の変形温度より低くする必要がある。例えば、ガラスの場合、予備加熱部の温度は、ガラスの変形温度である６００℃より低くすべきである。一方、強高周波電流が用いられた場合、低温であっても誘導加熱は可能であるから、予備加熱部における温度の下限は、特に限定されない。しかしながら、強高周波電流を用いると、莫大なエネルギーを必要とし、非常に高い誘導磁場を生じ、誘導コイルを製造するコストが非常に高いものになるので、あまり好ましくない。したがって、本発明の予備加熱部の温度は、約２００℃、好ましくは４００℃より高くするのが好ましい。例えば、非導電性基材上の半導体フィルムが、ガラス基板上のシリコンフィルムである場合は、予備加熱部の加熱温度は、２００〜６００℃、好ましくは４００〜６００℃の範囲である。
【００３３】
本発明の装置は、アモルファスシリコンの結晶化、固相結晶化（ＳＰＣ）及び金属誘導結晶化（ＭＩＣ）の反応を著しく促進することができる。また、本発明の装置は、イオン−打ち込み多結晶シリコンのドーパント活性化の反応を著しく促進することができる。
【００３４】
本発明の装置による上記加熱処理効果の反応を促進することができる理由としては、下記の理由が挙げられる。半導体フィルムがシリコンフィルムに限定され、熱感受性の非導電性基板がガラス基板にそれぞれ限定される場合について、簡潔に説明する。
【００３５】
シリコンフィルム内部での交流磁束の誘導は、電磁力（ｅｍｆ）を発生させるようになり、シリコンフィルム内のｅｍｆは、反応促進の推進力となる。ファラディの法則（Ｂ．Ｄ．Ｃｕｌｌｉｔｙ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”（Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，１９７２），Ｐ．３６）によると、ｅｍｆの強度は、次式のように定義される。
ＥＭＦ＝１０−８ＮｄΦ／ｄｔ ｖｏｌｔｓ
（ただし、Ｎはコイルの巻数、ｄΦ／ｄｔは磁束の変化の割合で、ｍａｘｗｅｌｌ／ｓｅｃの単位で表される）
したがって、反応速度の増加は、磁束の強度と交流周波数の両者に依存する。交流周波数は、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内である。交流周波数が１ｋＨｚ未満であると電磁力は小さくなり、その結果、結晶化をさせるのは困難となる。交流周波数が１０ＭＨｚを超えると、広範囲の交流磁場を発生させるための誘導コイルと磁気コアを作るのは困難となる。上記の交流周波数の範囲は、誘導コイルの形状によって、上下に変動させることができる。
【００３６】
加熱処理効果を促進するためのｅｍｆの発生メカニズムで解釈されない場合は、次の２つの理由が考えられる。
【００３７】
第１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。アモルファス及び多結晶シリコンは、室温で高い固有抵抗値、例えば、アモルファスシリコンでは１０６〜１０１０Ω・ｃｍを有している。したがって、シリコンは、外部加熱源によって加熱されない限り、該ｅｍｆによるシリコンのジュール加熱は生じない。しかしながら、アモルファス及び多結晶シリコンが、高い温度で加熱された時は、その固有抵抗値は急速に低下し、低い値、例えば、５００℃で１０〜０．０１Ω・ｃｍになる。この固有抵抗値は、グラファイトの値である１〜０．００１Ω・ｃｍと近似している。このようにして誘導加熱が可能となる。交流磁束の下のアモルファスシリコンの部分的加熱にもかかわらず、高固有抵抗値（〜１０１６Ω・ｃｍ）を有するガラス基板は、該交流磁束によっては加熱されないので、ガラスは、外部加熱によって前もって設定されている低い温度に維持される。
【００３８】
第２のメカニズムは、該ｅｍｆは、帯電した欠陥上で機能化した電界効果によりシリコン原子の移動を活性化する。空格子点、格子間原子及び不純物のような点欠陥は、シリコン原子構造において負又は正に帯電する。これらの帯電した欠陥の動きは、電界の存在によって著しく促進される。このことは、科学文献（例えば、 Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ”ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”（２ｎｄｅｄ．ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ,１９８８）、Ｐ．２８７に記載されている”Ｆｉｅｌｄ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ” ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）にも報告されている。
【００３９】
以下に、図で詳細に本発明の具体例を説明する。
【００４０】
図１は、本発明の低温加熱処理装置に基づく低温熱処理システムの概要を説明する図である。図１において、低温加熱処理システム１０００は、供給部１００、予備加熱部２００、誘導加熱部３００、冷却部４００、製造部５００から構成される本発明の低温加熱処理装置で、連続プロセス用に連続して結合されている。予備加熱部２００と冷却部４００の各々は、二つのチャンバー（２１０、２２０、４１０、４２０）を有し、加熱処理体を連続して、加熱と冷却を行えるようにしてある。急速な温度変化は、熱感受性の非導電性基板の損傷を引き起こしかねないので、好ましくない。
【００４１】
図２Ａと２Ｂは、それぞれ、第２番目の予備加熱チャンバー、誘導加熱装置及び第１冷却チャンバーの斜視図及び平面図である。図２Ａ及び２Ｂにおいて、第２番目の予備加熱チャンバー２２０、誘導加熱部３００及び第１冷却チャンバー４１０は、外部の影響を最小限にするために、テーブル６００上に連続して載せられている。また、操作中にディスオーダーチェックと要素の交換を行い易くするためにクロージングカバー７００を設けてある。特に、誘導加熱部３００は、主胴部３１０と固定胴部３２０からなり、固定胴部３２０は、主胴部３１０に組み込まれている。
【００４２】
図３は、本発明による誘導加熱装置の好ましい具体例の分解された状態の斜視図である。図３において、誘導加熱部３００の構成要素が分解された状態で示されている。固定胴部３２０は、フィード部品３３０により、主胴部３１０に組み込まれ及び取り外されている。主胴部３１０において、誘導コイル８１０、８２０及び磁気コア９１０、９２０が組み込まれている。主胴部３１０は、誘導コイル８１０、８２０からの高周波磁場を遮蔽するためにアルミニウムのような金属からなる高周波遮蔽板３１２で覆われている。各高周波遮蔽板３１２は、結合部材３１４で組み立てられているので、また容易に組み外すことができる。誘導コイル８１０、８２０、及び磁気コア９１０、９２０は、支持材３１６により支えられている。誘導コイル８１０、８２０は、高周波電流を供給する電源（図示せず）と冷却水に結合されている。
【００４３】
主胴部３２０において、基板移送管３２２は、ローラー３２４を介して容器３２６に結合されている。基板移送管３２２は、主胴部３１０と固定胴部３２０の組立状態で、上側層誘導コイル８１０と下側層誘導コイル８２０の間の空間に位置する。誘導コイル８１０、８２０からの誘導磁場によて影響される基板移送管３２２とローラー３２４は、交流磁場は通過して誘導加熱が発生しないような材料、例えば石英からなっている。一方、容器３２６は、誘導コイル８１０、８２０からの交流磁場が磁気コア９１０、９２０によって基板移送管３２２上に集約されるので、石英のような上記材料から製造する必要はない。容器３２６の側面上に設けられた駆動モーター３２８は、加熱処理体を基板移送管３２２の内部へ移動させる。容器３２６は、テーブル６００（図２Ａ参照）上に、ジョイント部材３２９で取り付けられる。主胴部３１０は、移動部材３３２と連結され、固定胴部３２０に連結している静止部材３３４上を移動する。
【００４４】
図４Ａ〜４Ｄ、図５Ａ〜５Ｄ、図６Ａ〜６Ｄは、それぞれ、本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図、底面図であり、図４Ａ〜４Ｄから図６Ａ〜６Ｄは、本発明の好ましい具体例による誘導コイルと磁気コアの形状の例である。
【００４５】
図４Ａは、組み立てられた状態の斜視図を示し、そこにおいて、四角の横断面を有する誘導コイル８００は、一回巻きとして巻かれている。図４Ｂは、誘導コイル８００のみを示す斜視図であり、図４Ｃは、それぞれ、平面図、正面図、側面図を示す。図４Ｄは、対応する磁気コア９００の平面図、側面図である。
【００４６】
誘導コイル８００は、誘導コイル８００が過熱状態になるのを防ぐために冷却水を循環させるチャンネル８１０を有している。上側の端（Ａ）で開始する誘導コイル８００は、上側層８２０と下側層８４０を形成し、そして下側の端（Ａ’）で終わる。ここで、上側の端（Ａ’）は、下側の端（Ａ）と同じ方向に位置するものとする。誘導コイル８００は、上側層８２０と下側層８４０を形成する巻回しの操作中は、それ自身が接触することはないようにしてある。
【００４７】
図４Ｃは、かかる巻回し操作に関するものである。上側の端（Ａ）で開始する誘導コイル８００は、部分８２１、８２２、８２３、８２４、８２５を経て反時計回りに、上側層８４０を平面状に形成するように一巻で巻かれる。誘導コイル８００は、部分８２５から上方に突き出て、それ自身が接触しないで水平面上で、部分８３１、８３２、８３３、８３４を経て回転する。そして、誘導コイル８００は、下層８４０を形成するために上層８２０と同じ巻数、方向に巻かれる。したがって、誘導コイル８００は、部分８４４、８４５の平面から下方に突きでており、最終的に下側の端（Ａ’）に達する。従って、全体の形状をみると、別の空間（Ｓ）が上側層８２０と下側層８４０の間に形成され、上側と下側の端（Ａ，Ａ’）の方向で、両層が側面８３０（図４Ｂ参照）を介して連結し、反対方向で両層は分離している。
【００４８】
図４Ａにおいて、誘導コイル８００に対応する磁気コア９００は、上側層８２０と下側層８４０の各外表面を覆っている上側磁気コア９１０と下側磁気コア９２０から構成されている。図４Ｄは、下側磁気コア９２０の平面図及び側面図である。ここで、外側部９２２は、誘導コイル８００の外表面を覆い、内側部９２４は、誘導コイル８００の中心部の間に挿入されている。図７Ａと７Ｂで説明されているように、内側部９２０は、最強に視準された交流磁束を発生し、加熱処理体上に高電磁力を発生させる。かかる効果を発揮させるために、本発明の態様の一つによれば、内側部９２４の幅（Ｔ）は、誘導コイル８００の上側層８２０と下側層８４０の間にある空間（Ｓ）の幅より大きくされている。
【００４９】
図５Ａ〜５Ｄにおいて、長方形側面８１０ａを有する誘導コイル８００ａは、図４Ａ〜４Ｄに示されている誘導コイル８００の巻方法と巻数を同じように設計されて記載され、それに対応する磁気コア９１０ａ、９２０ａもまた記載されている。誘導コイル８００ａの巻方法は、誘導コイル８００の巻方法と同じであり、それに関する説明は省略する。誘導コイル８００ａにおいて、幅部分（ｘ）は横断面図の上側層８２０ａと下側層８４０ａの間の空間（Ｓａ）に面しており、それによって、更に強力な交流磁場が加熱処理体に向けられる。しかしながら、狭い部分（ｙ）は、上層８２０ａと下層８４０ａの間の空間（Ｓａ）の幅を限定するものではない。上記誘導コイル８００ａに対応する磁気コアの形状に関して、図５Ｄにおいては、誘導コイル８００ａの広い幅部分（ｘ）のため、溝の大きさは、図４Ｄのそれより大きくなっている。この理由は、上側磁気コア９１０ａの内部から発生する磁束は、外側部分９２２ａへの漏れが最小になるように下側磁気コア９２０ａの内側９２４ａに導入されているからである。
【００５０】
図６Ａ〜６Ｄにおいて、四角状横断面８１０ｂを有する誘導コイル８００ｂが平面状態において２巻によって巻き取られている。巻き取り方法を明確にするために、図６Ｃは、誘導コイル８００ｂの平面図、正面図、底面図、及び側面図を示している。
【００５１】
上側の端（Ａ）で開始する誘導コイル８００ｂは、第１巻として、８２１ｂ、８２２ｂ、８２３ｂ、８２４ｂ、８２５ｂ部分を経て半時計回りに平面を形成するように巻かれ、続いて、第２巻として第１巻の内側に８２６ｂ、８２７ｂ、８２８ｂ、８２９ｂ部分を経て反時計回りに平面を形成するように巻かれ、上側層８４０ｂを形成する。それから、誘導コイル８００は、８２９部分から上方に突き出し、それ自身が接触しないように水平面上を８３１ｂ、８３２ｂ、８３３ｂ、８３４ｂ部分を介して回転される。そして、誘導コイル８００ｂは、下側層８４０ｂを形成するために上側層８２０ｂと同じ巻方向、巻数で巻かれ、最終的に下側の端（Ａ’）に達する。
【００５２】
図６Ｄは、２巻として巻かれた誘導コイル８００ｂに組み込まれる磁気コアの例を示している。図６Ｄからわかるように、磁気コアは、誘導コイル８００ｂの第１巻と第２巻の間には挿入されていない。
【００５３】
上記の形状は、単に具体例として示したものであって、それらの種々の修正を加えたものも本発明の範囲に含まれる。
【００５４】
図７Ａと７Ｂは、図６Ａの誘導コイル８００ｂと磁気コア９００ｂからなる装置を用いたシミュレーション実験の結果を示す。シミュレーションの結果から、誘導磁束が分布され強化されていることがわかる。
なお、シミュレーションの条件は下記の通りである。
磁気コア：物質／大きさ／長さ：鉄粉／１６０ｍｍ／４００ｍｍ
誘導コイルの巻数：２巻
磁気コアの上部と下部のギャップ：３０ｍｍ
使用した電流；１００Ａ
周波数：４５０ｋＨｚ
【００５５】
図７Ａと７Ｂによると、誘電コイル８００ｂにより発生する磁束（矢印）は、磁気コアによって、上側層８２０ｂと下側層８４０ｂの間に集中されている。磁束は、両層の８２０ｂ、８４０ｂの間の空間（Ｓｂ）に置かれた加熱処理体上に垂直に加えられ、半導体フィルムに平行に磁気力を発生させる。図面から分かるように、磁束は、磁気コア９２０ｂの内側部９２４ｂ内で、高密度で高強力な電磁力を発生する。加熱処理体は、図７Ａに示されている方向に移動させて内側部８２４ｂを通過する。
【００５６】
本発明において請求している装置の用途は、本発明の目的（例えば、アモルファスシリコンの結晶化、ドーパントの活性化）には限定されない。本発明の装置は、他の用途、例えば、インジウム−チン−オキサイド（ＩＴＯ）の低温加熱処理、表示装置のガラス（又はプラスチック）上の金属フィルム、マイクロエレクトロニクス、及び太陽電池工業の分野で用いることができる。さらにまた、熱感受性の非導電性基板（典型的には、ガラス又はプラスチック）上の導体又は半導体の加熱処理を最小限のサーマルバジェットで行う必要のある多くの他のプロセスにおいて、同じ手段を用いることができる。
【００５７】
前述の一般的な説明、及び図面による本発明の詳細な説明の両方とも典型的な例を説明したものであって、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
また、上述のように、本発明は、明らかな修正及び変更も可能であることは明らかである。かかる変更は、本発明の目的及び範囲から外れるものとはみなされないし、当技術分野で通常の技術を有する者にとって明らかであるようなすべての修正は本発明の範囲に含まれるものである。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の装置によれば、熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムは、最低限のサーマルバジェットで熱感受性の非導電性基板を損傷することなく加熱処理される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低温熱処理装置に基づく低温加熱処理システムの概要を説明する図である。
【図２】図２Ａと２Ｂは、それぞれ、第２番目の予備加熱チャンバー、誘導加熱装置及び第１冷却チャンバーの斜視図及び平面図である。
【図３】本発明による誘導加熱装置の好ましい具体例の分解された状態の斜視図である。
【図４】本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図である。
【図５】本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの他の好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図である。
【図６】本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの別の好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図、底面図である。
【図７】図６Ａの誘導コイルと磁気コアからの磁気束の分布と強度に関するシミュレーション図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱感受性の非導電性基板の上の半導体フィルムを最小限のサーマルバジェット（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）で連続的及び効率的に加熱処理する装置に関する。より詳しくは、本発明は、液晶表示装置（ＬＣＤｓ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）、及び太陽電池用の各種用途に用いられるガラス基板上に結晶シリコン薄膜フィルムトランジスター（ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓ）及びＰＮダイオードを形成するための加熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置（ＬＣＤｓ）及び有機発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）は、平板状パネル表示装置において急速に成長してきている。現在、これらの表示システムは、薄層フィルムトランジスター（ＴＦＴｓ）を用いる活性マトリックス回路構成（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に採用されている。ガラス基板上へのＴＦＴｓの形成は、このような用途においては、必須になっている。
【０００３】
ＴＦＴ−ＬＣＤｓは、活性層（すなわち、ａ−Ｓｉ ＴＦＴ ＬＣＤ）として、一般的には、アモルファスＳｉフィルムから構成されるＴＦＴｓを用いている。最近、アモルファスＳｉフィルムの代わりに多結晶シリコンフィルム（すなわち、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴ ＬＣＤ）を用いるＴＦＴｓの開発に興味が持たれており、多結晶シリコンフィルムがその優れた画像解像度と画素分野と周辺駆動回路とを同時に合体させる利点とを有しているため、その開発に拍車がかかっている。ＯＬＥＤｓの分野においては、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓの電流誘導性が、実質的にａ−Ｓｉ ＴＦＴｓより高く、高操作機能を引き出すことができるため、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓの用途は、ａ−Ｓｉ ＴＦＴｓに明らかに差をつけてきている。
【０００４】
商業的に用いられているガラス基板上にｐｏｌｙ−Ｓｉ デバイスを形成させるための課題としては、ガラス基板が最小限のサーマルバジェットに耐える加熱処理方法の開発がある。ガラスは、６００℃以上の温度に実質的な時間さらされると容易に変形してしまう。ｐｏｌｙ−Ｓｉデバイスの形成に使用される高いサーマルバジェットを必要とする重要な加熱処理段階は、アモルファスＳｉフィルムの結晶化及びＰ（又はＮ）−型接合のために打ち込まれたドーパントの電気的活性化である。これらの加熱処理は、主に高いサーマルバジェットを必要とし、ガラスの損傷、変形を引き起こしかねない。
【０００５】
これらの問題を解決するために、種々な方法が提案されてきている。これらの方法は、次に簡潔に要約するアモルファスＳｉの結晶化とドーパント活性化に大きく分けることができる。
【０００６】
（１）アモルファスＳｉを結晶化して多結晶Ｓｉにする加熱処理
ｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムは、一般的には、化学蒸着法（ＣＶＤ）によりアモルファスＳｉフィルムを堆積し、引き続き、結晶化加熱処理のポスト−デポジションを経て得られる。
【０００７】
固相結晶化（Ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ−ＳＰＣ）は、アモルファスシリコンを結晶化させる公知の方法である。この方法において、アモルファスシリコンは、６００℃に達するまでの温度で、少なくとも数時間かかって、加熱処理をされる。一般的には、ガラス基板は、抵抗性ヒーター源（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｈｅａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）を有する加熱炉内で処理される。しかしながら、この方法における高いサーマルバジェットは、用いたガラス基板の損傷及び／又は変形を引き起こす。
【０００８】
低温下で、ガラスに損傷を与えることなくアモルファスＳｉを多結晶Ｓｉに変換するには種々の結晶化方法がある。主な方法としては、エキシマレーザー結晶化方法（ＥＬＣ）及び金属誘導結晶化法（ＭＩＣ）がある。
【０００９】
ＥＬＣ法は、ナノ−セコンドレーザーパルスを用い、アモルファスシリコンを溶融・固化して多結晶体にする方法である。しかしながら、この方法は、大量生産において、その使用に対しては重大な問題を有している。この方法により得られるｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムの結晶構造は、レーザー光線エネルギーに非常に敏感であって、その結果結晶構造が不均一となり、デバイス特性が達成されない。また、レーザーの光線の大きさは、比較的小さなものになってしまうため、小さな光線を用いて、大面積ガラスの結晶化操作を完全にするには、多重のレーザーパスまたはショットを必要とするようになる。したがって、レーザーを正確に制御するのが困難となり、結晶化操作において、多くの不均一なショットが導入されるようになってしまう。さらに、ＥＬＣ ｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムの表面は粗くなり、デバイスの機能を減じてしまう結果となる。また、通常のプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を用いた場合の堆積されたアモルファスＳｉは、高水素濃度を有しており、ＥＬＣ法においては、水素が噴出するという問題を抱えている。水素噴出を抑えるためには、長時間（＞２時間）で、高温（４５０〜４８０℃）で脱水素するという加熱処理が必要であり、ＥＬＣプロセス装置のシステムは複雑となり、高価になり、維持が難しくなってくる。
【００１０】
ＭＩＣプロセスは、結晶化反応を促進するために、アモルファスＳｉフィルムにＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのような金属元素を添加する方法である。この方法により、６００℃以下の低温で結晶化が促進される。しかしながら、この方法では、金属の混入によりｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶性能が劣るという問題があり、金属の混入は、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴｓの操作において、有害な電流漏れを引き起こすおそれがある。さらに、この方法の他の問題点としては、操作中に金属−ケイ化物が生成してしまうことである。金属−ケイ化物は、続いて行うエッチングプロセス段階で好ましくない他の問題を引き起こす原因となる。
【００１１】
（２）ドーパント活性化の加熱処理
結晶化プロセスに加えて、高いサーマルバジェットを有する他の熱処理方法は、ドーパント活性化アニールである。ＴＦＴｓのソースとドレイン間の領域のようなｎ型（又はｐ型）領域を形成するために、ヒ素、リン又はホウ素のようなドーパントが、イオン打ち込み法、プラズマドーピング法を用いてＳｉフィルムに打ち込まれる。ドーパントのドーピング後、シリコンは、電気的活性化（活性化アニール）のためにアニールされる。結晶化の加熱処理と同様に、アニーリングは、通常抵抗加熱源を備えた炉内で行われる。この方法は、６００℃近い高温で長時間を必要とする。したがって、サーマルバジェットを減らす新規な方法が必要とされ、先行技術の中にも報告されている。エキシマレーザーアニール（ＥＬＡ）と急速加熱アニール（ＲＴＡ）は、この目的のために用いられている方法である。
【００１２】
ＥＬＡ法は、ＥＬＣの機構と同じプロセス機構を用いている。すなわち、ナノ−セコンドレーザーパルスでｐｏｌｙ−Ｓｉの急速再溶融化と固化が行われているが、ＥＬＣにおける結晶化の問題点がここにおいても存在している。ＥＬＣプロセス間で生じた急速な熱的変化が、ガラス基板と同様にｐｏｌｙ−Ｓｉフィルムに対して高い熱的ストレスを引き起こし、その結果、デバイスの信頼性の低下となっている。
【００１３】
ＲＴＡ法は、高温下に行われるが、処理時間は短い。一般的には、基板はＲＴＡの間で、温度は約７００〜１０００℃に達するが、アニールプロセスは、数分または数秒の比較的速やかになされる。タングステン−ハロゲン又はＸｅ−アークランプのような光加熱源は、しばしばＲＴＡの熱源として用いられる。ＲＴＡの問題点は、これらの光源からのフォトン放射は、シリコンフィルムのみでなくガラス基板も加熱できる波長の範囲を有しているため、このプロセス間にガラス基板も加熱され、損傷を受けてしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、先行技術の問題点に鑑み、ガラス上へのデバイスの作成において、結晶化の反応促進、ドーパント活性化の促進、さらにこれらのプロセスにおいてサーマルバジェットを軽減できる装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決するために、鋭意研究の結果、熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムを最小限のサーマルバジェットで、連続的及び効果的に加熱処理する装置を提供できることを見出し本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、本発明は、熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムを加熱処理する装置であって、
（ａ）電磁力が半導体フィルムの平面方向に平行に発生するように上側層と下側層を連続的に形成させた誘導コイルであって、熱感受性の非導電性基板とその上に堆積された半導体フィルム（以下、加熱処理体ということがある）を、上記上側層と上記下側層の間の空間に移動させることができる誘導コイル、
（ｂ）上記上側層と上記下側層の外部表面をそれぞれ覆う磁気コア、及び
（ｃ）加熱処理体の上記上側層と下側層の間の空間への移動に先だって誘導加熱のために加熱処理体を加熱する予備加熱部であって、加熱処理体の半導体フィルムが、基板の使用を可能にする最小限のサーマルバジェットで誘導加熱される範囲まで加熱されるようになされている予備加熱部
からなる装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上記半導体フィルムの代表的具体例は、アモルファスシリコンフィルム又は結晶化シリコンフィルムであるシリコンフィルムである。また、上記熱感受性の非導電性基板の代表的具体例は、ガラス又はプラスチック基板である。
【００１８】
本発明の装置によれば、半導体フィルムは、熱感受性の基板に損傷を与えることなく連続的及び効率的に加熱処理される。例えば、ガラスの使用に耐えられる最小限のサーマルバジェットでアモルファスシリコンフィルムを結晶化し、ガラスの使用に耐えられる最小限のサーマルバジェットでドーパント活性化の反応を促進することができる。
【００１９】
加熱処理体の上記シリコンフィルムは、ガラス基板上に堆積される。結晶化加熱処理の場合には、アモルファス状態から多結晶状態に結晶化され、ドーパント活性化加熱処理の場合には、ドーパント（ｎ又はｐ型）が打ち込まれて多結晶化される。
【００２０】
上記誘導コイルは、高周波電流により半導体フィルム上に交流磁束を生じさせ、その結果半導体フィルムを加熱する。
【００２１】
誘導コイルに上側層及び下側層を形成する形状において、好ましい具体例の一つは、上側の端に始まる誘導コイルは、１又は２以上の巻数で平面状に巻かれてその上側の端に戻り、上側層を形成している。また、続いて、上側の端に対応する下側の端で開始する誘導コイルは、１又は２以上の巻数で平面状に巻かれてその下側の端に戻り、下側層を形成している。上側及び下側の層において、誘導コイルの巻方向と巻数はお互いに同じである。したがって、交流磁束は半導体フィルムに対して垂直方向に均一に視準される。上側層を形成する開始点である上側の端は、下側層を形成する開始点である下側の端と同じ方向に位置するようになされている。さらに、誘導コイルが、上側層が下側層を形成する開始点にシフトさせて形成される時には、誘導コイル自身が接触するのを防ぐように両側の層を結合する部分が横に突き出るようになる。したがって、全体の形状では、上側層及び下側層はお互いに分離されている。しかし、両側の層は、誘導コイルが開始する側で結合されているが反対側で分離されている。
【００２２】
誘導コイルの過熱を防ぐために、冷却水が循環される導管（例えば、冷却水用銅製チューブ）を誘導コイルの中に設けるのが好ましい。
【００２３】
また、上側又は下側の層を形成する誘導コイルの巻層の数は、さらに強化された交流磁束を発生するようにするためには、２以上が好ましい。
【００２４】
上記磁気コアは、積層した金属コア又はフェライトコア製である。磁気コアを用いる利点は、次の３点が挙げられる。第１に、低誘導力で実質的に磁場の強度を上げることができる。第２に、磁束の分布をより均一にすることができる。第３に、磁束分布を半導体フィルムの領域上に集中させることができ、それによって、より効果的な加熱処理を行うことができ、周りに設けられた導電要素（例えば、チャンバー壁又は外部ヒーターブロック）上での磁束による好ましくない干渉を防止することができる。
【００２５】
これらの利点をさらに効果的に示す具体例としては、誘導コイルの外表面と中心部を同時に覆うように形成された磁気コアは、上側と下側層を形成するために平面状に巻かれている。すなわち、誘導コイルに対して直角な横断面では、二つのＥ−型の磁気コアが仮想中心面上で互いに向き合っている。したがって、磁気コアの外側部分は、巻かれた誘導コイルの外部表面を覆い、磁気コアの内側部分は、巻かれた誘導コイルの中心部分に挿入されている。この形状において、磁気コアの内側部分から最強の交流磁場が発生される。加熱処理体は、上側及び下側層によって形成される空間に移動し、特に対称的な磁気コアの２つの内側部分の間で連続的及び効率的に誘導加熱される。
【００２６】
上側と下側の磁気コアの間のギャップの長さは、特に限定されない。しかしながら、もし可能であるならば、強電磁場の発生のためにギャップ長さを狭くするのが好ましい。例えば、二つの磁気コアの間のギャップは、磁気コアの幅よりも狭くするように設計されるのが好ましい。
【００２７】
上記予備加熱部では、半導体フィルムを熱感受性の非導電性基板が損傷を受けない程度まで加熱され、半導体フィルムは、誘導コイルから発生する交流磁束によって誘導加熱される。通常、導電性材料の加熱処理で用いられる誘導加熱は、半導体材料の加熱処理には用いることができないことは知られている。なぜなら、後者は、非常に強い誘導力を必要とするからである。しかしながら、本発明者は、特定の温度までに加熱されると、半導体フィルムのような物質であっても、少ない誘導力で誘導加熱が可能となることを見出した。これは、従来考えられていなかったことである。したがって、上記予備加熱部は、半導体フィルムの誘導加熱のための条件を可能にさせており、また、本発明によれば、予備加熱部は、半導体フィルムを誘導コイルの上側及び下側の層により形成されかつ磁気コアが覆っている空間に移動するに先だって加熱することになる。なお、上記空間では高視準化された交流磁場が生じている。かかる予備加熱部は、半導体フィルムを根本的に加熱するものであり、予備加熱の種類としては、下記のようなものを挙げることができる。
【００２８】
第１の例として、抵抗加熱源が用いられる。抵抗加熱源は、加熱処理体の周りの雰囲気を均一に加熱し、加熱処理体の周りの雰囲気を全体的に加熱することによって、基板の損傷を最小限にすることができる。
【００２９】
第２の例として、ＡｌＮ（Ａｌｉｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）又はＢＮ（Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）のような高抵抗で熱伝導性に優れかつ電気的に非導電性な材質からなる加熱板が用いられる。加熱処理体は加熱板に載せられ、加熱板からの伝導熱により加熱される。
【００３０】
第３の例としては、高導電性の金属又はグラファイトで製造された加熱板が用いられる。この加熱板は、加熱板の上、下、横に設けられた誘導コイルによる誘導加熱によって加熱される。すなわち、加熱板は、うず電流の加熱メカニズム（すなわち、誘導加熱）を通して、交流磁場の下で加熱される。加熱処理体は、加熱板からの伝導熱により加熱される。
【００３１】
上記のような３種類のタイプを述べたが、半導体フィルムを、誘導加熱を発生させる特定の温度にまで加熱できるものであれば、いずれも採用できる。
【００３２】
予備加熱部における温度の上限は、熱感受性の基板の変形温度より低くする必要がある。例えば、ガラスの場合、予備加熱部の温度は、ガラスの変形温度である６００℃より低くすべきである。一方、強高周波電流が用いられた場合、低温であっても誘導加熱は可能であるから、予備加熱部における温度の下限は、特に限定されない。しかしながら、強高周波電流を用いると、莫大なエネルギーを必要とし、非常に高い誘導磁場を生じ、誘導コイルを製造するコストが非常に高いものになるので、あまり好ましくない。したがって、本発明の予備加熱部の温度は、約２００℃、好ましくは４００℃より高くするのが好ましい。例えば、非導電性基材上の半導体フィルムが、ガラス基板上のシリコンフィルムである場合は、予備加熱部の加熱温度は、２００〜６００℃、好ましくは４００〜６００℃の範囲である。
【００３３】
本発明の装置は、アモルファスシリコンの結晶化、固相結晶化（ＳＰＣ）及び金属誘導結晶化（ＭＩＣ）の反応を著しく促進することができる。また、本発明の装置は、イオン−打ち込み多結晶シリコンのドーパント活性化の反応を著しく促進することができる。
【００３４】
本発明の装置による上記加熱処理効果の反応を促進することができる理由としては、下記の理由が挙げられる。半導体フィルムがシリコンフィルムに限定され、熱感受性の非導電性基板がガラス基板にそれぞれ限定される場合について、簡潔に説明する。
【００３５】
シリコンフィルム内部での交流磁束の誘導は、電磁力（ｅｍｆ）を発生させるようになり、シリコンフィルム内のｅｍｆは、反応促進の推進力となる。ファラディの法則（Ｂ．Ｄ．Ｃｕｌｌｉｔｙ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”（Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，１９７２），Ｐ．３６）によると、ｅｍｆの強度は、次式のように定義される。
ＥＭＦ＝１０−８ＮｄΦ／ｄｔ ｖｏｌｔｓ
（ただし、Ｎはコイルの巻数、ｄΦ／ｄｔは磁束の変化の割合で、ｍａｘｗｅｌｌ／ｓｅｃの単位で表される）
したがって、反応速度の増加は、磁束の強度と交流周波数の両者に依存する。交流周波数は、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内である。交流周波数が１ｋＨｚ未満であると電磁力は小さくなり、その結果、結晶化をさせるのは困難となる。交流周波数が１０ＭＨｚを超えると、広範囲の交流磁場を発生させるための誘導コイルと磁気コアを作るのは困難となる。上記の交流周波数の範囲は、誘導コイルの形状によって、上下に変動させることができる。
【００３６】
加熱処理効果を促進するためのｅｍｆの発生メカニズムで解釈されない場合は、次の２つの理由が考えられる。
【００３７】
第１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。アモルファス及び多結晶シリコンは、室温で高い固有抵抗値、例えば、アモルファスシリコンでは１０６〜１０１０Ω・ｃｍを有している。したがって、シリコンは、外部加熱源によって加熱されない限り、該ｅｍｆによるシリコンのジュール加熱は生じない。しかしながら、アモルファス及び多結晶シリコンが、高い温度で加熱された時は、その固有抵抗値は急速に低下し、低い値、例えば、５００℃で１０〜０．０１Ω・ｃｍになる。この固有抵抗値は、グラファイトの値である１〜０．００１Ω・ｃｍと近似している。このようにして誘導加熱が可能となる。交流磁束の下のアモルファスシリコンの部分的加熱にもかかわらず、高固有抵抗値（〜１０１６Ω・ｃｍ）を有するガラス基板は、該交流磁束によっては加熱されないので、ガラスは、外部加熱によって前もって設定されている低い温度に維持される。
【００３８】
第２のメカニズムは、該ｅｍｆは、帯電した欠陥上で機能化した電界効果によりシリコン原子の移動を活性化する。空格子点、格子間原子及び不純物のような点欠陥は、シリコン原子構造において負又は正に帯電する。これらの帯電した欠陥の動きは、電界の存在によって著しく促進される。このことは、科学文献（例えば、 Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ”ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”（２ｎｄｅｄ．ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ,１９８８）、Ｐ．２８７に記載されている”Ｆｉｅｌｄ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ” ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）にも報告されている。
【００３９】
以下に、図で詳細に本発明の具体例を説明する。
【００４０】
図１は、本発明の低温加熱処理装置に基づく低温熱処理システムの概要を説明する図である。図１において、低温加熱処理システム１０００は、供給部１００、予備加熱部２００、誘導加熱部３００、冷却部４００、製造部５００から構成される本発明の低温加熱処理装置で、連続プロセス用に連続して結合されている。予備加熱部２００と冷却部４００の各々は、二つのチャンバー（２１０、２２０、４１０、４２０）を有し、加熱処理体を連続して、加熱と冷却を行えるようにしてある。急速な温度変化は、熱感受性の非導電性基板の損傷を引き起こしかねないので、好ましくない。
【００４１】
図２Ａと２Ｂは、それぞれ、第２番目の予備加熱チャンバー、誘導加熱装置及び第１冷却チャンバーの斜視図及び平面図である。図２Ａ及び２Ｂにおいて、第２番目の予備加熱チャンバー２２０、誘導加熱部３００及び第１冷却チャンバー４１０は、外部の影響を最小限にするために、テーブル６００上に連続して載せられている。また、操作中にディスオーダーチェックと要素の交換を行い易くするためにクロージングカバー７００を設けてある。特に、誘導加熱部３００は、主胴部３１０と固定胴部３２０からなり、固定胴部３２０は、主胴部３１０に組み込まれている。
【００４２】
図３は、本発明による誘導加熱装置の好ましい具体例の分解された状態の斜視図である。図３において、誘導加熱部３００の構成要素が分解された状態で示されている。固定胴部３２０は、フィード部品３３０により、主胴部３１０に組み込まれ及び取り外されている。主胴部３１０において、誘導コイル８１０、８２０及び磁気コア９１０、９２０が組み込まれている。主胴部３１０は、誘導コイル８１０、８２０からの高周波磁場を遮蔽するためにアルミニウムのような金属からなる高周波遮蔽板３１２で覆われている。各高周波遮蔽板３１２は、結合部材３１４で組み立てられているので、また容易に組み外すことができる。誘導コイル８１０、８２０、及び磁気コア９１０、９２０は、支持材３１６により支えられている。誘導コイル８１０、８２０は、高周波電流を供給する電源（図示せず）と冷却水に結合されている。
【００４３】
主胴部３２０において、基板移送管３２２は、ローラー３２４を介して容器３２６に結合されている。基板移送管３２２は、主胴部３１０と固定胴部３２０の組立状態で、上側層誘導コイル８１０と下側層誘導コイル８２０の間の空間に位置する。誘導コイル８１０、８２０からの誘導磁場によて影響される基板移送管３２２とローラー３２４は、交流磁場は通過して誘導加熱が発生しないような材料、例えば石英からなっている。一方、容器３２６は、誘導コイル８１０、８２０からの交流磁場が磁気コア９１０、９２０によって基板移送管３２２上に集約されるので、石英のような上記材料から製造する必要はない。容器３２６の側面上に設けられた駆動モーター３２８は、加熱処理体を基板移送管３２２の内部へ移動させる。容器３２６は、テーブル６００（図２Ａ参照）上に、ジョイント部材３２９で取り付けられる。主胴部３１０は、移動部材３３２と連結され、固定胴部３２０に連結している静止部材３３４上を移動する。
【００４４】
図４Ａ〜４Ｄ、図５Ａ〜５Ｄ、図６Ａ〜６Ｄは、それぞれ、本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図、底面図であり、図４Ａ〜４Ｄから図６Ａ〜６Ｄは、本発明の好ましい具体例による誘導コイルと磁気コアの形状の例である。
【００４５】
図４Ａは、組み立てられた状態の斜視図を示し、そこにおいて、四角の横断面を有する誘導コイル８００は、一回巻きとして巻かれている。図４Ｂは、誘導コイル８００のみを示す斜視図であり、図４Ｃは、それぞれ、平面図、正面図、側面図を示す。図４Ｄは、対応する磁気コア９００の平面図、側面図である。
【００４６】
誘導コイル８００は、誘導コイル８００が過熱状態になるのを防ぐために冷却水を循環させるチャンネル８１０を有している。上側の端（Ａ）で開始する誘導コイル８００は、上側層８２０と下側層８４０を形成し、そして下側の端（Ａ’）で終わる。ここで、上側の端（Ａ’）は、下側の端（Ａ）と同じ方向に位置するものとする。誘導コイル８００は、上側層８２０と下側層８４０を形成する巻回しの操作中は、それ自身が接触することはないようにしてある。
【００４７】
図４Ｃは、かかる巻回し操作に関するものである。上側の端（Ａ）で開始する誘導コイル８００は、部分８２１、８２２、８２３、８２４、８２５を経て反時計回りに、上側層８４０を平面状に形成するように一巻で巻かれる。誘導コイル８００は、部分８２５から上方に突き出て、それ自身が接触しないで水平面上で、部分８３１、８３２、８３３、８３４を経て回転する。そして、誘導コイル８００は、下層８４０を形成するために上層８２０と同じ巻数、方向に巻かれる。したがって、誘導コイル８００は、部分８４４、８４５の平面から下方に突きでており、最終的に下側の端（Ａ’）に達する。従って、全体の形状をみると、別の空間（Ｓ）が上側層８２０と下側層８４０の間に形成され、上側と下側の端（Ａ，Ａ’）の方向で、両層が側面８３０（図４Ｂ参照）を介して連結し、反対方向で両層は分離している。
【００４８】
図４Ａにおいて、誘導コイル８００に対応する磁気コア９００は、上側層８２０と下側層８４０の各外表面を覆っている上側磁気コア９１０と下側磁気コア９２０から構成されている。図４Ｄは、下側磁気コア９２０の平面図及び側面図である。ここで、外側部９２２は、誘導コイル８００の外表面を覆い、内側部９２４は、誘導コイル８００の中心部の間に挿入されている。図７Ａと７Ｂで説明されているように、内側部９２０は、最強に視準された交流磁束を発生し、加熱処理体上に高電磁力を発生させる。かかる効果を発揮させるために、本発明の態様の一つによれば、内側部９２４の幅（Ｔ）は、誘導コイル８００の上側層８２０と下側層８４０の間にある空間（Ｓ）の幅より大きくされている。
【００４９】
図５Ａ〜５Ｄにおいて、長方形側面８１０ａを有する誘導コイル８００ａは、図４Ａ〜４Ｄに示されている誘導コイル８００の巻方法と巻数を同じように設計されて記載され、それに対応する磁気コア９１０ａ、９２０ａもまた記載されている。誘導コイル８００ａの巻方法は、誘導コイル８００の巻方法と同じであり、それに関する説明は省略する。誘導コイル８００ａにおいて、幅部分（ｘ）は横断面図の上側層８２０ａと下側層８４０ａの間の空間（Ｓａ）に面しており、それによって、更に強力な交流磁場が加熱処理体に向けられる。しかしながら、狭い部分（ｙ）は、上層８２０ａと下層８４０ａの間の空間（Ｓａ）の幅を限定するものではない。上記誘導コイル８００ａに対応する磁気コアの形状に関して、図５Ｄにおいては、誘導コイル８００ａの広い幅部分（ｘ）のため、溝の大きさは、図４Ｄのそれより大きくなっている。この理由は、上側磁気コア９１０ａの内部から発生する磁束は、外側部分９２２ａへの漏れが最小になるように下側磁気コア９２０ａの内側９２４ａに導入されているからである。
【００５０】
図６Ａ〜６Ｄにおいて、四角状横断面８１０ｂを有する誘導コイル８００ｂが平面状態において２巻によって巻き取られている。巻き取り方法を明確にするために、図６Ｃは、誘導コイル８００ｂの平面図、正面図、底面図、及び側面図を示している。
【００５１】
上側の端（Ａ）で開始する誘導コイル８００ｂは、第１巻として、８２１ｂ、８２２ｂ、８２３ｂ、８２４ｂ、８２５ｂ部分を経て半時計回りに平面を形成するように巻かれ、続いて、第２巻として第１巻の内側に８２６ｂ、８２７ｂ、８２８ｂ、８２９ｂ部分を経て反時計回りに平面を形成するように巻かれ、上側層８４０ｂを形成する。それから、誘導コイル８００は、８２９部分から上方に突き出し、それ自身が接触しないように水平面上を８３１ｂ、８３２ｂ、８３３ｂ、８３４ｂ部分を介して回転される。そして、誘導コイル８００ｂは、下側層８４０ｂを形成するために上側層８２０ｂと同じ巻方向、巻数で巻かれ、最終的に下側の端（Ａ’）に達する。
【００５２】
図６Ｄは、２巻として巻かれた誘導コイル８００ｂに組み込まれる磁気コアの例を示している。図６Ｄからわかるように、磁気コアは、誘導コイル８００ｂの第１巻と第２巻の間には挿入されていない。
【００５３】
上記の形状は、単に具体例として示したものであって、それらの種々の修正を加えたものも本発明の範囲に含まれる。
【００５４】
図７Ａと７Ｂは、図６Ａの誘導コイル８００ｂと磁気コア９００ｂからなる装置を用いたシミュレーション実験の結果を示す。シミュレーションの結果から、誘導磁束が分布され強化されていることがわかる。
なお、シミュレーションの条件は下記の通りである。
磁気コア：物質／大きさ／長さ：鉄粉／１６０ｍｍ／４００ｍｍ
誘導コイルの巻数：２巻
磁気コアの上部と下部のギャップ：３０ｍｍ
使用した電流；１００Ａ
周波数：４５０ｋＨｚ
【００５５】
図７Ａと７Ｂによると、誘電コイル８００ｂにより発生する磁束（矢印）は、磁気コアによって、上側層８２０ｂと下側層８４０ｂの間に集中されている。磁束は、両層の８２０ｂ、８４０ｂの間の空間（Ｓｂ）に置かれた加熱処理体上に垂直に加えられ、半導体フィルムに平行に磁気力を発生させる。図面から分かるように、磁束は、磁気コア９２０ｂの内側部９２４ｂ内で、高密度で高強力な電磁力を発生する。加熱処理体は、図７Ａに示されている方向に移動させて内側部８２４ｂを通過する。
【００５６】
本発明において請求している装置の用途は、本発明の目的（例えば、アモルファスシリコンの結晶化、ドーパントの活性化）には限定されない。本発明の装置は、他の用途、例えば、インジウム−チン−オキサイド（ＩＴＯ）の低温加熱処理、表示装置のガラス（又はプラスチック）上の金属フィルム、マイクロエレクトロニクス、及び太陽電池工業の分野で用いることができる。さらにまた、熱感受性の非導電性基板（典型的には、ガラス又はプラスチック）上の導体又は半導体の加熱処理を最小限のサーマルバジェットで行う必要のある多くの他のプロセスにおいて、同じ手段を用いることができる。
【００５７】
前述の一般的な説明、及び図面による本発明の詳細な説明の両方とも典型的な例を説明したものであって、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
また、上述のように、本発明は、明らかな修正及び変更も可能であることは明らかである。かかる変更は、本発明の目的及び範囲から外れるものとはみなされないし、当技術分野で通常の技術を有する者にとって明らかであるようなすべての修正は本発明の範囲に含まれるものである。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の装置によれば、熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムは、最低限のサーマルバジェットで熱感受性の非導電性基板を損傷することなく加熱処理される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低温熱処理装置に基づく低温加熱処理システムの概要を説明する図である。
【図２】図２Ａと２Ｂは、それぞれ、第２番目の予備加熱チャンバー、誘導加熱装置及び第１冷却チャンバーの斜視図及び平面図である。
【図３】本発明による誘導加熱装置の好ましい具体例の分解された状態の斜視図である。
【図４】本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図である。
【図５】本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの他の好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図である。
【図６】本発明の誘導コイルとそれに対応する磁気コアの別の好ましい具体例の組立状態と分解状態の斜視図、平面図、側面図、底面図である。
【図７】図６Ａの誘導コイルと磁気コアからの磁気束の分布と強度に関するシミュレーション図である。
Claims (11)
- 熱感受性の非導電性基板上の半導体フィルムを低温加熱処理する装置であって、
（ａ）電磁力が半導体フィルムの平面方向に平行に発生するように上側層と下側層を連続的に形成させた誘導コイルであって、熱感受性の非導電性基板とその上に堆積された半導体フィルム（以下、加熱処理体ということがある）を、上記上側層と上記下側層の間の空間に移動させることができる誘導コイル、
（ｂ）上記上側層と上記下側層の外部表面をそれぞれ覆う磁気コア、及び
（ｃ）加熱処理体の上記上側層と下側層の間の空間への移動に先だって誘導加熱のために加熱処理体を加熱する予備加熱部であって、加熱処理体の半導体フィルムが、基板の使用を可能にする最小限のサーマルバジェットで誘導加熱される範囲まで加熱されるようになされている予備加熱部
からなる装置。 - 上記半導体フィルムが、アモルファスシリコンフィルム又は結晶シリコンフィルム系のシリコンフィルムであり、上記熱感受性の非導電性基板が、ガラス又はプラスチック基板であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記シリコンフィルムが、結晶化のためにガラス基板上に堆積したアモルファスフィルム、又は電気活性化のためにドーパント（ｎ−型又はｐ−型）をイオン打ち込みした多結晶シリコンフィルムであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
- 上記誘導コイルは、上側の端で開始して１又は２以上の巻数で平面状に巻かれて、その上側の端に戻って上側層を形成し、続いて、上記誘導コイルは、上側の端に対応する下側の端で開始して１又は２以上の巻数で平面状に巻かれてその下側の端に戻って下側層を形成していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記上側又は下側層を形成するための誘導コイルの巻層数が、さらに強化された交流磁束を発生させるために２以上であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
- 上記磁気コアは、積層された金属コア又はフェライトコア製であり、上側と下側の層を形成するために平面状に巻かれた誘導コイルの外部表面と中心部分を同時に覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記予備加熱部の加熱温度が、２００〜６００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記予備加熱部において、抵抗加熱源が、加熱処理体の周りの雰囲気を均一に加熱するために用いられ、それらを全体的に加熱することにより基板の損傷を最小限にすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記予備加熱部において、加熱板が、高抵抗で熱伝導性に優れる電気的に非導電性の材料からなり、加熱板上に載せた加熱処理体を加熱板からの伝導熱によって加熱することを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記予備加熱部において、加熱板が、高導電性の金属又はグラファイト材料から製造され、加熱板を加熱板の上側、下側又は横側に設けられた誘導コイルからの誘導加熱により加熱され、加熱処理体は加熱板からの伝導熱により加熱されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記加熱処理が、アモルファスシリコンの固相結晶化、金属−誘導結晶化又は金属−誘導側面結晶化、又はイオン打ち込み多結晶シリコンのドーパント活性であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
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