JP4701376B2

JP4701376B2 - 薄膜結晶化方法

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Publication number: JP4701376B2
Application number: JP2004242351A
Authority: JP
Inventors: 肇白井
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: JP2006060130A

Description

本発明は、シリコン（Ｓｉ）等のアモルファス薄膜を結晶化する方法と、その方法を実施する装置に関し、特に、簡単な装置で短時間に多結晶化することを可能にしたものである。

近年、多結晶シリコン薄膜は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層や太陽電池用基板等に利用されている。
この多結晶シリコン薄膜は、下記特許文献１に記載されているように、ガラス基板やＳｉＯ₂膜上にシリコンのアモルファス薄膜を形成し、これにレーザを照射して結晶化する方法（レーザアニール）で主に生成される。

図５は、下記特許文献１に記載されたレーザアニール装置を示している。この装置は、高エネルギのエキシマレーザを出力するレーザ発振器２０と、レーザ光２１の方向を変える反射ミラー２７と、レーザ光を方形のラインビームに整形するための長軸ホモジナイザー２２ａ及び短軸ホモジナイザー２２ｂと、レーザ光の方向を変える反射ミラー２８と、基板５０上のアモルファスシリコン５１にラインビーム２４を集光する集光レンズ２３とを備えている。
アモルファスシリコン膜５１が形成された基板５０は、レーザアニール装置の真空室内に設置され、このアモルファスシリコン膜５１に長軸（紙面に垂直な方向）×短軸（紙面に平行な方向）が約２００×０．４ｍｍの方形のラインビーム２４が照射される。また、アモルファスシリコン膜５１の全面を結晶化するために、ラインビーム２４の１ショット当り、ラインビーム短軸幅の５〜１０％の送りピッチで基板５０を短軸方向（矢印方向）に移動している。そのため、基板５０は、同一箇所に１０〜２０回のレーザ光の照射を受けることになる。

レーザが照射されたアモルファスシリコン膜５１は、溶融（シリコンの溶融温度は１２００℃）した後、冷却速度の速い溶融領域の縁部分から固化が始まり、固化した部分が成長核となって結晶が生成する。そして、基板５０の同一箇所が複数回レーザ照射されることで結晶が成長し、結晶化度の高い多結晶シリコン膜５２が生成する。
こうしたレーザアニールにより、結晶粒１〜２μの多結晶シリコン膜を得ることができる。
特開２００３−２８２４３３号公報

しかし、レーザを用いる装置は、大掛かりで高価であり、製品の製造コストが高くなると言う問題点がある。
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、アモルファス薄膜を簡単な装置により短時間で結晶化することができる薄膜結晶化方法を提供することを目的としている。

そこで、本発明では、非結晶薄膜を溶融した後に再結晶化する薄膜結晶化方法において、細管に導入したプラズマ生成ガスを細管の先端から大気中に噴出させて細管の先端にマイクロプラズマジェットを生成し、前記細管の先端から距離を置いた非結晶薄膜にこのマイクロプラズマジェットを大気中で照射し、該非結晶薄膜の同一位置への照射時間を１秒より短い時間に設定して非結晶薄膜を溶融するとともに、細管を絶縁体で形成し、細管の周囲に設けたコイルに高周波電力を供給して細管内部に誘導電場を生成し、細管に導入したプラズマ生成ガスをプラズマ化してマイクロプラズマジェットを生成するようにしている。
この方法では、大掛かりな装置が不要である。また、高温のプラズマを用いているため、極めて短時間で非結晶薄膜を溶融することができる。

また、本発明の薄膜結晶化方法では、細管に導入したプラズマ生成ガスを細管の先端から大気中に噴出させて細管の先端にマイクロプラズマジェットを生成し、細管の先端から距離を置いた非結晶薄膜にマイクロプラズマジェットを大気中で照射し、該非結晶薄膜の同一位置への照射時間を１秒より短い時間に設定して非結晶薄膜を溶融するとともに、細管を金属で形成し、細管に高周波電力を印加して細管の先端から噴出するプラズマ生成ガスをプラズマ化し、細管の先端から１〜３ｍｍの距離に置いた非結晶薄膜にマイクロプラズマジェットを照射するようにしている。

また、本発明の薄膜結晶化方法では、マイクロプラズマジェットの非結晶薄膜に対する照射位置を順次移動させる。
マイクロプラズマジェットを非結晶薄膜上で相対的に１次元または２次元的に走査することにより、線形状または面状の結晶化を実現することができる。

また、本発明の薄膜結晶化方法では、複数の細管の先端に生成した複数のマイクロプラズマジェットを非結晶薄膜に同時に照射するようにしている。
この方法では、非結晶薄膜全体の結晶化を短時間で行うことができる。

本発明の薄膜結晶化方法では、レーザアニールに比べて、極めて簡単な構成の装置で、アモルファス薄膜を溶融し、再結晶化することができ、また、大気中において短時間でアモルファス薄膜の溶融・再結晶化が可能である。そのため、多結晶薄膜を低コストで製造することができる。

（第１の実施形態）
本発明の薄膜結晶化方法では、大気中で、アモルファスシリコン膜に、微小径のプラズマ噴出炎（マイクロプラズマジェット）を照射して多結晶シリコンを生成する。
図１は、この方法を実施する第１の実施形態の装置を模式的に示している。この装置は、マイクロプラズマジェット４０を生成する石英パイプ３４と、石英パイプ３４内に高周波電磁界を発生するコイル３３と、コイル３３に電磁波を供給する高周波電源３１と、高周波電源３１及びコイル３３間の整合を図るマッチング回路３０と、ガス導入管３７を通じて石英パイプ３４にアルゴン、ヘリウム、酸素、窒素等のプラズマ生成ガスを供給するガス供給源３６と、プラズマ生成ガスの流量を制御する流量調節器３５とを備えており、また、アモルファスシリコン膜５１が形成された基板５０とマイクロプラズマジェット４０との相対位置（矢印ａ方向及び矢印ｂ方向）を変えるための移動手段（不図示）を備えている。

石英パイプ３４は、１００ｍｍの全長を有し、内径２ｍｍの円筒形状の先端が細く成形され、マイクロプラズマジェット４０を噴出する噴出口の口径は、１００μに設定されている。また、高周波電源３１は、１４４ＭＨｚの高周波電力（１００Ｗ）を出力し、マッチング回路３０は、コイル３３から高周波電源３１に戻る反射波が最小となるように調整している。
高周波電源３１から供給された高周波電流がコイル３３に流れると、コイル３３は、石英パイプ３４内に誘導電場を発生する。そのため、プラズマ生成ガスとして例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを使用する場合では、ガス供給源３６から供給され、流量調節器３５で所定圧力に調整されて石英パイプ３４内に流入するアルゴンガスのアルゴン原子は、誘導電場で電離して高温（６０００〜７０００℃）のプラズマとなり、アルゴンガスの流入圧力に押されて石英パイプ３４先端の噴出口から大気中に噴き出る。噴き出したプラズマは、大気の存在により、拡散することなく、１ｃｍ³当り１０¹⁷個の電子密度を有するマイクロプラズマジェット４０を生成する。このマイクロプラズマジェット４０のエネルギは、アルゴンガスの流量を調節する流量調節器３５や、高周波電源３１の供給電力を制御して変えることができる。

蒸着やスパッタリング等の方法でガラス等の基板５０上に、ＴＦＴへの利用に適した膜厚（０．３μ前後）のアモルファスシリコン膜５１を形成し、この基板５０と石英パイプ３４との相対距離を、マイクロプラズマジェット４０の先端がアモルファスシリコン膜５１に達するように調整して、マイクロプラズマジェット４０をアモルファスシリコン膜５１に照射すると、照射位置のアモルファスシリコン膜５１は、数ミリ秒以下の短時間の照射で溶融し、局所的に結晶化する。
また、アモルファスシリコン膜５１の同一箇所に対するマイクロプラズマジェット４０の延べ照射時間が数ミリ秒程度となる速さで、基板５０を石英パイプ３４に対して矢印ｂの方向に相対的に移動（走査）して行くと、マイクロプラズマジェット４０が照射された軌跡上に結晶化したシリコン５２が生成する。また、この走査を２次元的に実施すれば、平面状の多結晶シリコン膜を得ることができる。

図２は、２次元的な走査で５×５ｃｍ²の面積の多結晶シリコン薄膜を形成し、その幾つかの点でラマン散乱スペクトルを測定した結果を示している。図２の横軸はラマンシフトを表す波数値（ｃｍ^-1）、縦軸はラマン散乱光の強度（任意単位）を示し、また、線ｂはマイクロプラズマジェット照射前のアモルファスシリコン膜５１の測定結果、線ａはマイクロプラズマジェット照射後の膜５２の測定結果をそれぞれ示している。マイクロプラズマジェット照射後のシリコン膜は、結晶シリコンのラマンシフトを表す５１５ｃｍ^-1の波数値においてラマン散乱光強度のピークを有し、その半値幅（約５．２ｃｍ^-1）は単結晶シリコンの半値幅にほぼ等しいため、シリコン薄膜の結晶化していることが分かる。生成された結晶粒の大きさは１〜２μであり、レーザアニールの場合と同程度である。

また、この装置では、アモルファスシリコン膜の膜厚が３μ程度の場合でも、マイクロプラズマジェット４０の同一位置での照射時間を増やしたり、基板５０と石英パイプ３４との相対距離を近づけたりすることにより、この厚さの膜全体を溶融して結晶化することができる。太陽電池では、光注入キャリアの輸送が膜厚方向であるため、多結晶シリコン膜の厚さとして２〜３μを必要とするが、マイクロプラズマジェットを用いて結晶化を図るこの装置では、ＴＦＴに適した０．３μ前後から太陽電池への利用に適した３μに至る広い膜厚範囲の多結晶化シリコン膜を短時間に生成することができる。

また、マイクロプラズマジェット４０を同一位置に１秒以上照射すると、照射位置のアモルファスシリコン膜５１が蒸発し、ガラス基板５０に孔が空く。そのため、この装置では、マイクロプラズマジェットの照射時間や照射位置を制御することにより、薄膜を備えた基板に貫通孔を設けたり、溝を形成したり、所定位置で切断したりする等、精密加工を施すこともできる。
従って、この装置一つで、アモルファスシリコン膜が形成された基板の微細加工や、所定の線形状または面領域のみの選択的な結晶化、あるいは膜全体の結晶化を行うことが可能である。

このように、この薄膜結晶化装置は、レーザアニール装置に比較して構造が極めて簡単であり、大気中においてアモルファス膜を短時間で再結晶化することができ、多結晶薄膜を低コストで製造することができる。また、広い膜厚範囲の素材に対して再結晶化が可能であり、また、微細パターンに沿った再結晶化や、基板を含む全体の微細加工なども可能である。

なお、ここでは、プラズマ生成に石英パイプを用いる場合について説明したが、石英以外の絶縁素材でパイプを形成しても良い。また、ここで示した石英パイプの形状や高周波電源の特性等を示す数値は、一例であって、それに限るものではない。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、金属パイプを用いてプラズマ生成ガスのマイクロプラズマジェットを生成する薄膜結晶化装置について説明する。
この装置は、図３に示すように、注射針のように細い金属パイプ６０と、金属パイプ６０に電磁波を供給する高周波電源３１と、高周波電源３１及び金属パイプ６０間の整合を図るマッチング回路３０と、ガス導入管３７を通じて金属パイプ６０にプラズマ生成ガスを供給するガス供給源３６と、プラズマ生成ガスの流量を制御する流量調節器３５と、金属パイプ６０を保持する保持具６１と、保持具６１を一定の高さで支える支柱６２と、アモルファスシリコン膜が形成された基板５０を載せる基台６３とを備えており、また、基板５０を基台６３の面上で移動する移動手段（不図示）を備えている。

この装置では、金属パイプ６０の先端と基板５０との距離ａを１〜３ｍｍの間で固定する。
ガス供給源３６から例えばアルゴン（Ａｒ）ガスが供給される場合では、流量調節器３５で所定圧力に調整されたアルゴンガスは、金属パイプ６０に流入し、金属パイプ６０の先端から大気中に噴き出す。高周波電圧を印加した金属パイプ６０の先端には、減圧下で形成されるグロープラズマと酷似した大気圧グロー放電が形成され、金属パイプ６０の先端のみにアルゴン原子のプラズマから成るマイクロプラズマジェットが生成する。

このマイクロプラズマジェットを基板５０上のアモルファスシリコン膜に照射して、シリコン膜を再結晶化する。この際の処理は、第１の実施形態と同様である。
ただ、この装置の場合、大気圧グロー放電を維持するためには、金属パイプ６０の先端と基板５０との距離ａを一定に保つ必要があり、第１の実施形態の装置と違って、金属パイプ６０の先端と基板５０との相対距離を制御してアモルファスシリコン膜の溶融を調整する手法を採ることができない。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態では、広い面積の再結晶化を同時に行うことができる薄膜結晶化装置について説明する。
この装置は、図４に示すように、複数のマイクロプラズマジェットを同時に生成する複数の金属パイプ６０を備えたマイクロプラズマアレイ７０を有しており、このマイクロプラズマアレイ７０は、複数の金属パイプ６０が貫通する状態で植設された銅板７２と、ガス導入管３７から導入されるプラズマ生成ガスを銅板７２と共働して閉じ込める収納容器７１とを備えている。なお、高周波電源３１からの電磁波は、銅板７２を介して各金属パイプ６０に供給される。

ガス供給源からガス導入管３７を通じて供給されるアルゴンガスは、収納容器７１及び銅板７２で囲まれた空間に流入し、銅板７２により相互の相対位置が固定された複数の金属パイプ６０の孔を通じて、基板５０が存在する側の大気中に噴出する。また、各金属パイプ６０には、銅板７２を介して、高周波電源３１の高周波電圧が印加されており、各金属パイプ６０の先端にはアルゴン原子のプラズマから成るマイクロプラズマジェットが生成する。
この複数のマイクロプラズマジェットを同時に基板５０上のアモルファスシリコン膜に照射して、シリコン膜の広い部分を同時に再結晶化することができ、また、マイクロプラズマアレイ７０を基板５０に対して相対的に走査して、アモルファスシリコン膜全面の結晶化を短時間で行うことができる。

なお、ここでは、第２の実施形態の金属パイプを複数設ける場合について説明したが、マイクロプラズマアレイ７０に第１の実施形態の石英パイプを複数設けて、それらの相対位置を固定するようにしても良い。
また、各実施形態では、シリコンの再結晶化について説明したが、本発明の装置及び方法は、シリコン以外の物質の再結晶化にも広く用いることができる。

本発明の薄膜結晶化方法及び装置は、ＴＦＴや太陽電池に使用する多結晶シリコン薄膜を始めとして、電子デバイスや光学素子、装飾品等に用いる各種結晶化膜を製造するために利用することができる。

本発明の第１の実施形態における薄膜結晶化装置の構成を示す図非結晶薄膜と本発明の第１の実施形態における薄膜結晶化方法で生成した結晶化薄膜とのラマンスペクトルを示す図本発明の第２の実施形態における薄膜結晶化装置の構成を示す図本発明の第３の実施形態における薄膜結晶化装置の構成を示す図従来のレーザアニール装置の構成を示す図

符号の説明

２０レーザ発振器
２１レーザ光
２２ａ長軸ホモジナイザー
２２ｂ短軸ホモジナイザー
２３集光レンズ
２４ラインビーム
２７反射ミラー
２８反射ミラー
３０マッチング回路
３１高周波電源
３３コイル
３４石英パイプ
３５流量調節器
３６ガス供給源
３７ガス導入管
４０マイクロプラズマジェット
５０基板５０
５１アモルファスシリコン
５２多結晶シリコン
６０金属パイプ
６１保持具
６２支柱
６３基台
７０マイクロプラズマアレイ
７１収納容器
７２銅板

Claims

非結晶薄膜を溶融した後に再結晶化する薄膜結晶化方法において、
細管に導入したプラズマ生成ガスを前記細管の先端から大気中に噴出させて前記細管の先端にマイクロプラズマジェットを生成し、前記細管の先端から距離を置いた非結晶薄膜に前記マイクロプラズマジェットを大気中で照射し、該非結晶薄膜の同一位置への照射時間を１秒より短い時間に設定して前記非結晶薄膜を溶融するとともに、
前記細管を絶縁体で形成し、前記細管の周囲に設けたコイルに高周波電力を供給して前記細管内部に誘導電場を生成し、前記細管に導入したプラズマ生成ガスをプラズマ化して前記マイクロプラズマジェットを生成することを特徴とする薄膜結晶化方法。
非結晶薄膜を溶融した後に再結晶化する薄膜結晶化方法において、
細管に導入したプラズマ生成ガスを前記細管の先端から大気中に噴出させて前記細管の先端にマイクロプラズマジェットを生成し、前記細管の先端から距離を置いた非結晶薄膜に前記マイクロプラズマジェットを大気中で照射し、該非結晶薄膜の同一位置への照射時間を１秒より短い時間に設定して前記非結晶薄膜を溶融するとともに、
前記細管を金属で形成し、前記細管に高周波電力を印加して前記細管の先端から噴出する前記プラズマ生成ガスをプラズマ化し、前記細管の先端から１〜３ｍｍの距離に置いた非結晶薄膜に前記マイクロプラズマジェットを照射することを特徴とする薄膜結晶化方法。
前記マイクロプラズマジェットの前記非結晶薄膜に対する照射位置を順次移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜結晶化方法。
複数の前記細管の先端に生成した複数の前記マイクロプラズマジェットを前記非結晶薄膜に同時に照射することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜結晶化方法。