JP5177617B2 - 酸化シリコン薄膜形成装置 - Google Patents

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Description

本願発明は、プラスチック等の、可塑性を有し耐熱温度の低い基板上に塗布したケイ素化合物薄膜から半導体素子薄膜を製造する技術及びこれを実施するための製造装置に関するものである。
本願発明は、電子産業の世界において近年大きく注目されているフレキシブル電子デバイスを実現するために重要なプラスチック等の可塑性を有する基板上に低温印刷プロセスにより高性能電子デバイスを作製する技術を提供するものである。
同様の機能を果たす薄膜材料としては有機高分子が存在するが、電子デバイスとして機能させるために重要な高電界に対する耐久性や長期信頼性の面からは酸化シリコンのような無機酸化膜が適している。
酸化シリコン薄膜を印刷により作製する方法としては、金属アルコシキド化合物を原料とするゾルゲル法及び有機金属化合物を原料とする有機金属熱分解法がある。これらの手法によって酸化シリコン薄膜への反応を完了させるためには、原料を基板に塗布した後に、４００℃以上の高温における加熱焼成が必要であるが、現在汎用されている可塑性プラスチック基板の最大の耐熱温度は２００℃であるので、このような基板への印刷法による電子デバイスの作製には使えない。
シラザン化合物等のケイ素化合物を酸化性雰囲気中において２００℃以下の加熱処理を行うことにより酸化シリコンを作製した場合、反応生成物の不完全性により得られた膜の電気的特性は著しく低下する。
シラザン化合物に有機アミンやパラジウム等の触媒を添加することによってシラザン化合物の塗布膜を低温加熱加湿処理し、酸化シリコン薄膜を作製する技術が既に存在するが（下記特許文献１及び２参照）、作製された酸化シリコン薄膜には触媒が残存するためにその不純物効果により電気的特性が低下するという問題がある。
また前述の触媒を原料に添加するのではなく、外部から接触させることにより、低温における反応を実現させた報告もある（下記特許文献３参照）。しかしながらこの場合においても、触媒成分が膜表面に吸着し、先に示した不純物効果が発現してしまう。また前述の手法においては、加湿処理によって吸着する水分子は、膜の電気的性質を劣化させるので、これを除去する必要があるのだが、そのためには高温処理又は真空環境下における加熱処理が必要となり、先に示したように汎用の可塑性プラスチックの様に耐熱性の低い基板上にデバイスを作製するための低温印刷プロセスを実現することができない。
前述の不純物の問題点を克服するために、触媒等の不純物を含まないシラザン化合物及びシロキサン化合物の塗布膜から１５０℃以下の低温処理及び紫外光ランプからの紫外光照射によって酸化シリコン薄膜を作製する技術も知られている（下記特許文献４参照）。しかしながら、この特許において作製された酸化シリコン絶縁膜の抵抗率は、１０１２から１０１４Ωｃｍであり、半導体素子内において使用しうる絶縁膜としては、現在、汎用的に使用されている絶縁膜素子であるシリコン結晶表面上の熱酸化膜と同等の絶縁性能である１０１５Ωｃｍの抵抗率が要求されている。
前述の紫外光ランプを利用する半導体薄膜製造装置としては真空紫外光ＣＶＤ装置が以前より知られている（下記特許文献５参照）。しかしながら、この装置は、薄膜原材料を気体状態にして導入した後に紫外光照射によって絶縁物に転化し、基板上に堆積成長させるために、基板を一旦真空処理室に導入させることが必要不可欠であり、低温常圧下において大量かつ連続的に薄膜素子を製造するという印刷プロセスの利点を生かすことが出来ない。
特開平６−２９９１１８号公報 特開平１１−１０５１８７号公報 特開平７−２２３８６７号公報 ＷＯ ２００６／０１９１５７ 特開平２００３−３４７２９６号公報
本願発明の課題は、可塑性を有するプラスチック基板等に対して、基板の耐熱温度以下における低温印刷プロセスにより、現在電子デバイスとして使用されているものと同等の高い絶縁性能を有する酸化シリコン薄膜を用いる半導体薄膜素子及びその形成方法を提供することである。
更に、本願発明によって示される薄膜形成方法を効率的に行い、ロールトゥロール法等の簡便、低コストの印刷手法によって高速かつ大量の半導体薄膜素子を生産する装置を提供するものである。
可塑性を有するプラスチック基板上にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物の塗布膜を形成し、該塗布膜を酸化シリコン薄膜に転化し、該薄膜を絶縁層又は封止層の一部とすることにより半導体薄膜素子を形成する。
シラザン構造により構成されるシラザン化合物にオゾン又は原子状酸素を反応させると、下記反応式（１）及び（２）に基づいて、ＳｉＯ２、アンモニア及び酸素が発生する。
２（−ＳｉＨ２―ＮＨ−）＋２Ｏ３ →２（−ＳｉＯ２−）＋２ＮＨ３＋Ｏ２ （１）
（−ＳｉＨ２―ＮＨ−）＋２Ｏ →（−ＳｉＯ２−）＋ＮＨ３ （２）
この反応は、反応を起こさせるために特に高温にすることを要しないし、また触媒を用いることなく反応を進行させることが可能なため、室温近傍の温度で、なおかつ添加物等を用いることなくＳｉＯ２を作製することができるものである。また、反応のために供給される物質は酸素であり、反応後の排出物質はアンモニアと酸素であり、いずれも気体であることから、薄膜中に不純物が残存してしまう可能性がほとんどなく、高純度なＳｉＯ２を作製することができる。反応に水を使用しないために、残留吸着水などに基づく絶縁性劣化をも妨げることができる。また、本願発明の場合、活性オゾン又は原子状酸素の反応性が著しく高いため、Ｓｉ−Ｎ結合がほぼ完全になくなるまで反応を進行させることができ、高純度なＳｉＯ２薄膜を作製することができる。
シロキサン構造により構成されるケイ素化合物にオゾン又は原子状酸素を反応させると下記反応式（３）および（４）に基づいて、ＳｉＯ２と二酸化炭素と水が発生する。
３（−Ｓｉ（ＣＨ３）２−Ｏ−）＋８Ｏ３ →３（−ＳｉＯ２−）＋６ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ （３）
（−Ｓｉ（ＣＨ３）２―Ｏ−）＋８Ｏ→（−ＳｉＯ２−）＋２ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ （４）
この反応は、反応を起こさせるために特に高温にすることを要しないし、また触媒を用いることなく反応を進行させることが可能である。このため、室温近傍の温度において、かつ添加物等を用いることなくＳｉＯ２を作製することができるものである。アルキルシロキサンを転化してＳｉＯ２を作製する反応においては、反応後の排出物として気体である二酸化炭素及び水が生成されるので１００℃以上の加熱処理を併せて行うことによって高純度なＳｉＯ２薄膜を作製することができる。
本願発明によれば、耐熱温度が２００℃以下の可塑性を有するプラスチック基板上にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物の塗布膜を形成し、該塗布膜から酸化シリコン絶縁膜を作製する工程においては、酸素化学種を含む雰囲気中において、塗布膜への紫外光の照射による酸化シリコンへの転化工程を少なくとも１工程以上含むことによって、酸化シリコンに転化することによる半導体素子を作製することができる。また塗布膜の酸化シリコンへの紫外光照射と同時、又はその前後に、オゾン、酸素分子、活性酸素原子等の酸素原子を含む雰囲気ガス下における基板の耐熱温度以下の加熱工程を少なくとも１工程以上含むことによって、可塑性等の基板の従来有する物理的性状を損なうことなく現在汎用の薄膜トランジスタ半導体素子と同等の絶縁性能と高い信頼性を有する酸化シリコン薄膜を有する半導体素子の製造方法が提供される。
また、シラザン構造又はシロキサン構造を有するケイ素化合物の塗布膜を有する基板に対して酸素化学種を含む雰囲気ガスに制御された室内において紫外光を照射する装置及び加熱する装置を具備する酸化シリコン薄膜を形成する方法に用いる半導体素子の製造装置が提供される。
さらに本願発明においては、基板表面に塗設された薄膜に対して転化反応に必要な紫外光線からの光エネルギーが基板による吸収効果を受けずに効率的に照射される紫外光ランプの配置と、基板及び薄膜に対して効率的に熱エネルギーを伝達し且つ紫外光ランプから薄膜への光照射を阻害しない温度保持装置の配置を同時に満たすことにより要求される性能を有する薄膜を高速且つ大量に作製可能な薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、要求される保持すべき温度が0℃以上200℃以下であることからこれを効率的に実現し、且つ制御されたガス雰囲気への影響をなくすために適した温度保持装置を備えた薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、塗設した薄膜に前述の紫外光と熱エネルギーを連続的に作用させるために最適の紫外光照射装置と温度保持装置の配置を備えた薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、制御されたガス雰囲気を構成するガスについてオゾンや原子酸素種を生成する原料ガス及び、原料ガスの濃度を調整するための不活性ガスや化学反応を促進させるための反応性ガスを導入することにより、薄膜の性能や生産性を制御することを可能とする薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、基板を連続的に搬入し、基板表面の清浄化工程、基板表面への薄膜の塗設工程、塗設膜より溶媒等の原材料を除く成分を一部又は全部を除去する工程、紫外光照射及び熱処理による転化反応工程並びに転化反応完了後の薄膜付基板を速やかに搬出する為の各工程を一部又は全部実施するための分割された工程室とそれらの間を基板が連続的に移動する仕組みを有することによって連続的に搬送される基板上への効率的な薄膜素子の製造を可能とすることを特徴とする薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、前述の転化反応工程中に制御されたガス雰囲気を保持するための手段として組成、流量、圧力、温度等の条件を制御したガスを導入するためのガス導入口と反応後のガス成分を転化反応工程室より速やかに排出するためのガス排出口を有することを特徴とする薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、前述のガス雰囲気を保持する為のガス導入口及びガス排出口を基板の搬送方向と同一方向にない方向に対向して配置されていることによって、それらが同じ工程室に存在する他の装置及び基板の搬送手段に対して障害とならず塗設膜に対して効率的に制御されたガス雰囲気を保持する為には適した配置を有することを特徴とする薄膜形成装置を提供する。
さらに本願発明においては、前述のガス雰囲気を構成するガス、溶媒等の原材料を除く成分が気化又は分解することによって発生する気体成分及び薄膜の転化反応によって生成される気体成分が他の工程室及び装置の外部に流出しないで、基板の連続的な搬送を可能とするための物理的的手段として反応部の基板搬入口及び基板搬出口にカーテン機構を有することを特徴とする薄膜形成装置を提供する。
本願発明においては、前述の薄膜形成装置を用いることによって、基板上に簡便低コストな印刷手法により半導体薄膜素子を連続的に形成する方法を提供する。
又、電極表面に発生する酸化膜上に、表面の性状を制御するための物質層を形成することによって、該物質層上に形成する薄膜素子の性能を向上させる多層構造を有する半導体薄膜素子を提供する。
本願発明に係る製造装置及び製造方法により得られる薄膜トランジスタは、耐熱温度２００℃程度の可塑性の高いプラスチックフィルム等に印刷手法によって作製できるものであり、従来の真空プロセスでは困難であった低温かつ常圧下での連続製膜を可能とすることから、大面積及びフレキシブルデバイスの簡便かつ低コストな手段での大量生産を実現するものである。また、従来の有機物塗布膜から形成される半導体素子と異なり、より高い絶縁性能、耐電圧、信頼性を有する金属酸化物で素子を構成することにより素子の微細化、長寿命化、安定性向上をもたらす。また本願発明による多層構造化により製造される薄膜は、基板や電極表面の性状に因らず高品質の薄膜素子の作製を可能とする。
本願発明によって作製される半導体素子を構成する絶縁層は、塗布プロセスで作製される酸化シリコン薄膜から成る。その酸化シリコン薄膜は、シラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物の塗設膜からの転化反応によって得られるものである。ここで言うシラザン構造（下記［化１］）又はシロキサン構造（下記［化２］）とは下記の化学式で示される化学構造のことである。
Figure 0005177617
Figure 0005177617
 式中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ4、Ｒ5は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、ヒドロキシアルキル基、カルボキシルアルキル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アルキルカルボニルオキシ基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環基からなる群より選ばれる置換基を表す。
上記化合物の分子鎖は、直鎖状、環状、架橋によるネットワーク状の何れであっても構わない。上記化合物の分子量及び分子量分布は、特に規定されないが、一般的に用いられるのは分子量が１００から１０００００のものである。
本願発明における薄膜素子形成装置は、前述ケイ素化合物が塗設された基板に制御されたガス雰囲気下において２００℃以下の特定温度を保持しながらの紫外光を照射することによって、前述ケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に変換すると同時に熱アニール効果により物理的・電気的性能の向上を図ることにより使用する用途に応じて性質を制御した薄膜を簡便に作製することができる。
本願発明においては、ケイ素化合物の塗布膜に対して２００℃以下の温度に維持しながら紫外光線を照射するだけで高い絶縁性能を有する酸化シリコン薄膜を得ることができるので、従来のゾルゲル法及び熱分解法により行われる４００℃から１０００℃以上の加熱処理に比べて加熱温度が格段に低くてもよいので、それらの手法に比較して短時間・低エネルギーコストで、且つ防熱等の大掛かりな装置も必要とせずに大面積薄膜を製造することが可能であることから製造装置コストや製造コストも格段に低くなる。また、従来、耐熱性の低いプラスチック基板の上に酸化シリコン薄膜を形成するためには、蒸着やスパッタなどの真空プロセスを用いるしか方法がなく、そのための特別な製膜室や高性能の真空排気装置が必要であったのに対して、本願発明により簡便な装置によるプラスチック基板上への高性能酸化シリコン薄膜素子を作製することが可能となった。
特に、軽量で可塑性を有し成形性の高いプラスチック製のシート基板上に薄膜トランジスタなどの高性能電子素子を形成することも可能となった。汎用されているプラスチックシート基板としては現在のところ耐熱温度が約２００℃以下のものしかないので、２００℃以下でのプロセスにより必要な電気特性を有する薄膜付プラスチックシートデバイスの形成は本願発明により可能となり、今後登場する軽量フレキシブルデバイスへの応用が期待される。
本願発明において、作製される酸化シリコン薄膜は、上記化合物を基板上に塗布することによって、元となる薄膜を作製し、それの転化反応によって得られるものであるが、その際使用される基板は、特に限定されず、いかなる物を用いても良い。一般に好適に用いられる物は、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート及びポリアラミド等の柔軟性のあるプラスチック基板であるが、ガラス、金属及びセラミックス基板等を用いても構わない。あるいは、シリコン、窒化ガリウム、ガリウムヒ素及びガリウムリン等の結晶基板を用いることも可能である。この際、素子の安定化、長寿命化や、その上に形成する封止薄膜の加工性の向上を図るため、複数の材料の混合又は積層で構成されるか、あるいは表面処理を施しておくことも可能である。
本願発明の薄膜形成装置において、酸化シリコン薄膜が作製される基板は、薄膜の物理的・電気的性能の向上及び塗布膜の接着性向上などのためにその表面を洗浄、脱気及び不純物の除去等を行う手段を有するものであるが、その方法について特に限定はない。一般的に用いられる洗浄及び不純物除去の方法としては清浄水、有機薬液、酸性薬液、アルカリ性薬液及びこれらの混合液等による浸漬洗浄、流液洗浄、超音波洗浄、前述薬液から生成される蒸気の接触洗浄、オゾンや活性ガス種(分子・イオン・ラジカル・プラズマなど)の接触洗浄、アルゴンやキセノンなどの不活性化学種を基板表面に衝突させることによって不純物を除去する方法、レーザーや各種エネルギー線を照射することによって不純物を除去する方法等が含まれる。また脱気の方法として一般的に用いられるものとしては加熱処理、レーザー及び各種エネルギー線の照射又は放電処理等の方法が含まれる。
基板にケイ素化合物を塗布する前に、基板表面又は基板上に作製した電極表面等の濡れ性等の表面物性を制御するために、界面活性物質等を塗布又は吸着させることによって、表面修飾層を形成し、その上にケイ素化合物を塗設することによって多層構造を構築し、薄膜素子の接着性・緻密性・表面平滑性等を向上させ、優れた力学的および電気的性能を有する薄膜素子を得ることができる。
本願発明の薄膜形成装置により作製される酸化シリコン薄膜は、前述のケイ素化合物を基板上に塗布する工程によって、元となる薄膜を作製し、その薄膜を転化反応によって得られるものであるが、このときの塗布膜の形成方法としては特に限定はない。一般的に用いられる方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャストコート法、スプレイコート法、インクジェット法、転写法、更にこれらの手法を発展させた活版印刷、孔版印刷、オフセット印刷、グラビア印刷等の一般的な印刷法、マイクロコンタクトプリンティング、マイクロモルディング等のソフトリソグラフィー印刷法等でもよい。
本願発明において使用されるシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る薄膜は、塗布法によって形成されるが、この工程において使用する溶媒は、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、ハロゲン化炭化水素、ハロゲン化芳香族炭化水素、エーテル類、アミン類等を用いることができる。一般に好適に用いられるのは、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、エチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、塩化メチル、ピリジン等があげられる。また溶媒は、水分及び微量の無機物成分等の不純物を高度に取り除き精製したものが望ましい。
本願発明において使用されるシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る薄膜は、塗布法によって形成されるが、この工程において使用する溶媒は、単一成分又は二種類以上の上記溶媒を含む混合溶媒として使用することができる。
本願発明において用いられるシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物薄膜の１回に塗布される厚さは、５ｎｍ以上１０μｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２μｍ以下である。
本願発明においては所望とされるに充分の膜厚を有する薄膜を作製するために、ケイ素化合物薄膜の塗布工程は、２回以上行うことが可能である。その際に、塗布工程の前後に前述の洗浄や脱気の工程を行うことも可能である。また前述の２回以上の塗布工程を行う場合には、異なる化合物の薄膜を積層して塗設することも可能である。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜は、塗布製膜後に薄膜を加熱して溶媒の一部又は全部を除去する工程を設けても良い。ここで用いられる加温の装置は、特に限定されないが、一般的には抵抗加熱装置や赤外線熱装置などが用いられる。この時の、加温する温度雰囲気などは、用いる溶媒により異なってくるが、一般に加温温度は、２０℃以上１５０℃以下が望ましい。
また溶媒除去を行う目的で塗布膜にレーザーや各種エネルギー線を照射する方法も可能である。加温する際のケイ素化合物薄膜を設置する雰囲気は、大気圧雰囲気下で行うのが望ましい。また、このときの加熱溶媒除去に要する時間は特に限定されない。一般には、１秒以上１８０分以内であるが、好適には３０秒から６０分である。
次に、ケイ素化合物薄膜を有する基板は、制御されたガス雰囲気下である温度に保持された状態での紫外光照射を行うために反応部へ搬入される。この際の搬入の手段については特に限定はない。また連続的に薄膜素子を作製するためにある一定の速度で反応室の内部を移動させることも可能である。しかしながら、本願発明において用いられるケイ素化合物の一部は、雰囲気中の酸素や水分、あるいは温度によって変質することがあるので、ケイ素化合物薄膜のついた基板を搬送する雰囲気は制御可能であることが望ましい。
本願発明においては、ケイ素化合物塗布膜を紫外光照射によって酸化シリコンに転化させるための反応部がガス雰囲気や温度を適切な条件に制御可能であることが望ましい。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる工程中の雰囲気ガスの全部又は一部の成分としては、空気又は酸素ガスより反応性の高いオゾン、活性酸素分子、活性酸素原子を用いることが望ましい。ここで用いられる活性酸素種は、一般的なオゾン発生装置又は酸素、オゾン、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化硫黄、亜酸化硫黄、水蒸気、窒化酸素、二酸化窒素、亜酸化窒素、亜窒化酸素、活性酸素分子・原子・ラジカル等を含む雰囲気に紫外光線を照射することによって得られる。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる工程中の雰囲気ガスの一部に酸素原子を含まない窒素、アルゴン、アンモニア及び水素を用いることがある。このうち窒素及びアルゴンは、酸化シリコンへの転化反応に寄与しない不活性ガスであり、これを加えることによって雰囲気ガス中の反応ガス濃度や紫外光ランプからの紫外光照射強度を調節することができ、これにより酸化シリコン薄膜の成膜性や反応速度を制御することが可能となる。またアンモニア及び水素は、転化反応に対して触媒として働き、これにより反応の促進や膜質の向上などの効果を得ることが出来る。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させるのに紫外線を照射するのは酸素化学種を含む雰囲気ガスに対してであるが、ケイ素化合物薄膜に上記のエネルギー線を直接照射することによって薄膜中のケイ素化合物の化学結合を分解し、雰囲気中の酸素化学種を直接膜内に取り込むことによって酸化シリコンへの転化反応を促進する反応機構によっても酸化シリコンを得ることが出来る。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させるのに酸素化学種を含む雰囲気において紫外光を照射する際、照射する紫外光の波長は、特に限定されない。一般的に用いられるのは、１００ｎｍから４５０ｎｍである。こうした波長の光は、重水素ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、エキシマランプ、水銀ランプ等のほか、エキシマレーザー等により得ることができる。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる為に酸素化学種を含む雰囲気において紫外光を照射する際、照射する紫外光の単位時間及び単位面積当りの照射エネルギーが高い程、酸化シリコンへの転化効率は向上するが、エネルギーの小さい紫外光を長時間照射することによっても同じ効果を得ることができる。よって最低限必要な照射する紫外光の単位時間及び単位面積当りの照射エネルギーについては特に規定されない。また紫外光線の照射は、必ずしも連続的に行う必要はなく、断続的な光照射やあるいはパルス光源による光照射であっても良い。
本願発明においてはシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物を原料として、それを基板上に塗布することにより、素薄膜を形成させ、それを転化することで酸化シリコン薄膜として形成させるものであるが、ケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる際のプロセス温度は、一般には０℃以上２００℃以下であるが、基板の耐熱温度以下であればより高温である方がより電気的性質の優れた酸化シリコン薄膜が得られる。また、このときの転化反応に要する時間は特に限定されない。一般には、１分以上７２０分以内であるが、好適なのは５分から１２０分である。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる過程の一部又は全部において、通常の酸素ガスより反応性の高いオゾン、水蒸気、活性酸素分子、活性酸素原子等を含む反応雰囲気中において０℃以上２００℃以下の加熱処理を行うことが望ましい。その際、塗布原料の薄膜に加熱処理を施すのは紫外光の照射と同時か又は一定時間のエネルギー線の照射後に加熱処理を別個に行っても良い。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる製造工程において、オゾン、水蒸気、活性酸素分子、活性酸素原子等を含む反応雰囲気中において０℃以上２００℃以下の加熱処理を行う際の方式については特に限定されないが、一般的には抵抗加熱方式、ランプ加熱方式、レーザー加熱方式、電磁波加熱方式等を用いる。また、本加熱処理に用いられる加熱装置については直接又は間接的に薄膜表面又は膜内部の温度を制御することが可能なものであればその形態、性能及び配置については特に限定されない。
本願発明において用いられるケイ素化合物薄膜を酸化シリコン薄膜に転化させる際の転化反応は１回以上行われることによって最終的に必要な酸化シリコン薄膜を得る。この時の膜の厚さは特に限定されない。
本願発明の薄膜形成装置の概念図を図１に示す。この薄膜形成装置は、例えば、フレキシブルプラスチック基板上に表示デバイスを製造する過程において薄膜トランジスタ素子の封止層及びゲート絶縁層として用いる酸化シリコン薄膜を形成するために用いられる。図１は、基板を基板搬送装置を用いて製造装置の内部を搬送させる間に基板表面の洗浄、脱気、あるいは濡れ性を向上させる為の表面処理を行う前処理部、ケイ素化合物を基板上に塗布することによって薄膜を形成する塗設部、塗設膜中の溶媒の一部又は全部を乾燥除去する乾燥部及びガス遮蔽カーテンで分割された反応部を順次移動する機構と各装置の配置の概念を示したものである。前処理部には前述の基板洗浄手段及び基板表面改質手段を有する基板前処理装置５０が備えられている。塗設部には前述のケイ素化合物を成分の一部又は全部とする液体を基板上に塗布する手段を有する塗布膜形成装置４０が備えられている。乾燥部には加熱又は減圧によって塗布膜の全部又は一部を乾燥するための乾燥装置６０が備えられている。反応部には制御されたガス雰囲気を満たすためのガス導入管６０とガス排出管７０が備えられている。更に、雰囲気ガスの反応部の外への流出を防ぐためのガス遮断カーテン８０を通じて搬入された基板上の塗布膜に塗設面直上方より紫外光線を照射する手段を有する紫外光ランプ２０及び基板及び基板上の薄膜をある温度に保持するための加熱、場合によっては光照射によって機材の温度が耐熱温度以上まで上昇するような場合には基板を冷却するための手段を有する温度保持装置３０が備えられている。更に図に示してはいないが、基板温度を測定する手段、反応部を真空排気する手段、反応部に導入するガスの組成や流量、圧力などを制御する手段などが設けられる。
前述の薄膜素子製造装置において、塗設膜より溶媒を乾燥除去するための乾燥部は、必ずしも含まれない。反応部における紫外光照射又は温度保持装置による加熱によって溶媒の除去を兼ねても構わない。
前述の薄膜素子製造装置において、前処理部、塗設部、乾燥部及び反応部は必ずしも同一装置内に存在する必要はなく、基板や薄膜素子の仕様によってはそれぞれ独立した装置であっても構わない。
基板を搬送するための治具１０の材質及び形状は、特に限定されない。一般的には、軟質ゴム、金属、ガラスで作られたものを用い、その形状としては、図1に示すシート状のもののみならず、格子又は棒状のものを用いてもよい。
基板を搬送する速度は、各工程において異なる事が必要な場合があるので、それぞれの工程における搬送速度を独立に制御するための手段が必要である。その際生じる各工程間の速度差を吸収するための手段としては、多段ロール機構やダンサーロール機構が状況に応じて用いられる。
シラザン化合物を、溶媒に溶かして溶液を調製し、塗布薄膜作製の原料溶液とした。酸化シリコン薄膜を作製する基板には、直径２ｃｍ厚さ１ｍｍの鏡面研磨したシリコンウェハーを用いた。基板の前処理として、基板を超純水に１分間通して表面の付着物を除去した後、エアーガンによる水の除去を行った。前処理を行った基板を塗設部に導入し、スピンコーター上に装着した。その後、シリンジを用いて原料液を基板上に展開させ、シラザン化合物の均等な膜厚の塗布膜を得た。回転終了後、基板を加熱することによって溶媒を一部除去した後、直ちに反応部に導入した。反応部内のガス雰囲気を制御するために、ガス導入口より乾燥剤を通じた窒素：酸素の混合ガスを導入した。このときのガス流量は、毎分１００ｓｃｃｌであった。基板をセットしたステージ背面より赤外線ランプ加熱装置を用いてステージを密着した基板と共に加熱し、ステージに備え付けた熱電対温度計を用いてステージ温度を２００℃に保持すると同時に基板上部より紫外線ランプを用いて紫外光を照射した。反応時間は１８０分とした。反応終了後に基板を取り出し薄膜素子とした。このようにして作製した酸化シリコン薄膜の厚さは、約１０５ｎｍであった。このようにして作製した薄膜のＦＴ−ＩＲパターンスペクトルを図２に示す。該スペクトルにおいて、原料の薄膜に現れていた吸収ピークが全て消滅し、シリコンと酸素の結合に由来する１１００ｃｍ−１の吸収のみが強く現れていることから、原料のシラザン化合物薄膜は、完全に酸化シリコン薄膜に転化されていることがわかる。この酸化シリコン薄膜の抵抗率と電界強度との相関曲線を図３に示す。この薄膜の耐電圧は約６ＭＶ/ｃｍ２、抵抗率は１０１５Ωｃｍであった。
シラザン化合物を溶媒に溶かして溶液を調製し、塗布薄膜作製の原料溶液とした。酸化シリコン薄膜を作製する基板には、基板表面にクロム金属薄膜をスパッタ法で作製した２ｃｍ四方厚さ１ｍｍのガラス板を用いた。基板の前処理として以下に示す方法による表面洗浄を行った。基板を超純水１分間通じて表面の付着物などを除去した後、エアーガンによる水の除去を行った。前処理を行った基板を塗設部に導入しスピンコーター上に装着した。その後、シリンジを用いて原料液を基板上に展開させた。その後、基板を回転させて、シラザン化合物の均等な膜厚の塗布膜を得た。回転終了後、基板を加熱することによって溶媒を一部除去した後、直ちに反応部に導入した。反応部内のガス雰囲気を制御するために、ガス導入口より乾燥剤を通じた窒素：酸素の混合ガスを導入した。このときのガス流量は毎分１００ｓｃｃｌであった。基板をセットしたステージ背面より赤外線ランプ加熱装置を用いてステージを密着した基板と共に加熱し、ステージに備え付けた熱電対温度計を用いてステージ温度を２００℃に保持すると同時に基板上部より紫外線ランプを用いて紫外光を照射した。反応時間は１８０分とした。反応終了後に基板を取り出し薄膜素子とした。このようにして作製した酸化シリコン薄膜の厚さは、約６３ｎｍであった。この酸化シリコン薄膜の抵抗率と電界強度との相関曲線を図４に示す。この薄膜の耐電圧は約６ＭＶ/ｃｍ２、抵抗率は１０１5Ωｃｍであった。
シラザン化合物を溶媒に溶かして溶液を調製し、塗布薄膜作製の原料溶液とした。酸化シリコン薄膜を作製する基板には、基板表面にクロム金属薄膜をスパッタ法で作製した２ｃｍ四方厚さ１ｍｍのガラス板を用いた。基板の前処理として以下に示す方法による表面洗浄を行った。基板を洗浄液を入れたテフロン（登録商標）容器に通じ、超音波洗浄を１５分間行った。その後、超純水を入れたテフロン（登録商標）容器に通じて超音波洗浄を３０分間行った。その後、超純水で流水洗浄し、エアーガンによる付着水の除去を行った。つぎに基板表面に表面修飾層としてヘキサメチルジシラザン薄膜を作製した。作製手順を以下に示す。密封可能なテフロン（登録商標）容器にヘキサメチルジシラザンとクロロホルムを入れた後容器内に台を入れその上に前処理を行った基板を液体に触れないように台の上においた。容器を密封し容器全体を５０℃に保持した状態で３０分間静置した。その後基板を容器から取り出しクロロホルムで洗浄することによってＣｒ表面にヘキサメチルジシラザンの薄膜を作製した。直ちに基板を塗設部に導入しスピンコーター上に装着した。その後、シリンジを用いて原料液を基板上に展開させた。その後、基板を回転させて、シラザン化合物の均等な膜厚の塗布膜を得た。回転終了後、基板を加熱することによって溶媒を一部除去した後、直ちに反応部に導入した。反応部内のガス雰囲気を制御するためにガス導入口より乾燥空気を導入した。このときの圧縮空気の圧力は０．２５２ＭＰａ、流量は毎分３．０Ｌであった。その後、紫外光照射を１８０分間行った。反応容器内の温度は２２℃に保持した。照射を終了した後、基板周辺のガス雰囲気を制御するために、オゾンを含む酸素ガスを反応部内に導入した。反応部内の温度は２００℃に保持した。この状態で５時間加熱処理を行い、その後、基板を取り出して薄膜素子とした。このようにして作製した酸化シリコン薄膜の厚さは、約５５ｎｍであった。この酸化シリコン薄膜の抵抗率と電界強度との相関曲線を図５に示す。この薄膜の耐電圧は約５ＭＶ/ｃｍ２、抵抗率は１０１3Ωｃｍであった。
(参考例１)シラザン化合物を溶媒に溶解し、塗布薄膜作製の原料溶液とした。酸化シリコン薄膜を作製する基板には、直径２インチの鏡面研磨したシリコンウェハーを用いた。基板の前処理として以下に示す方法による表面洗浄を行った。基板を洗浄液テフロン（登録商標）容器に通じ、超音波洗浄を１５分間行った。その後、超純水を入れたテフロン（登録商標）容器に通じて超音波洗浄を３０分間行った。その後、超純水で流水洗浄し、エアーガンによる付着水の除去を行った。このようにして洗浄した基板は塗設部に搬送されスピンコーター上に装着された。その後、シリンジを用いて原料液を基板上に展開させた。その後、基板を回転させてシラザン化合物の膜厚の均等な塗布膜を得た。回転終了後、基板をホットプレート上に静置し加熱することによって膜中に残存する溶媒を一部除去した後、直ちに反応部に導入した。反応部内のガス雰囲気は乾燥空気が常時流れる状態にした。このときの圧縮空気の圧力は０．２４６ＭＰａ、流量は毎分３．０Ｌであった。その後、紫外光を１８０分間照射した。反応容器内の温度は２８℃で一定に保たれている。紫外光を照射終了後、反応部にオゾンを含む酸素ガスを導入した。基板及び周囲のガスを抵抗加熱装置で加熱し温度調節器を用いて２００℃で一定にした。この状態で３００分の加熱処理を行った後、基板を取り出して薄膜素子とした。得られた酸化シリコン薄膜の厚さは、約３５ｎｍであった。この酸化シリコン薄膜の抵抗率と電界強度との相関曲線を図６に示す。この薄膜の耐電圧は約５ＭＶ/ｃｍ２、抵抗率は１０１５Ωｃｍであった。また薄膜表面の表面粗さは、ＲＭＳ値で約０．１６ｎｍであった。
(参考例２)シラザン化合物を溶媒に溶解し、塗布薄膜作製の原料溶液とした。酸化シリコン薄膜を作製する基板には、直径２インチの鏡面研磨したシリコンウェハーを用いた。基板の前処理として以下に示す方法による表面洗浄を行った。基板を洗浄液を入れたテフロン（登録商標）容器に通じ、超音波洗浄を１５分間行った。その後、超純水を入れたテフロン（登録商標）容器に通じて超音波洗浄を３０分間行った。その後、超純水で流水洗浄し、エアーガンによる付着水の除去を行った。このようにして洗浄した基板は塗設部に搬送されスピンコーター上に装着された。その後、シリンジを用いて原料液を基板上に展開させた。その後、基板を回転させてシラザンの膜厚の均等な塗布膜を得た。回転終了後、基板をホットプレート上に静置し加熱した後、直ちに反応部に導入した。反応部内のガス雰囲気を制御するためにガス導入口からは酸素が常時流れる状態にした。このときの酸素ガス圧力は０．２４６ＭＰａ、流量は毎分１．０Ｌであった。その後、紫外光を１８０分間照射した。反応部内の温度は２７℃で一定に保った。反応後、反応部内に薄膜が作製された基板を入れた状態でオゾンを含む酸素ガスを導入した。ガスの流量は毎分１．０Ｌ、ガスの全圧は０．１ＭＰａであった。更に反応部内を抵抗加熱装置で加熱し温度調節器を用いて温度を２００℃で一定にした。この状態で３００分の加熱処理を行った後、基板を取り出して薄膜素子とした。作製した酸化シリコン薄膜の厚さは、５４ｎｍであった。この酸化シリコン薄膜の抵抗率と電界強度との相関曲線を図４に示す。この薄膜の耐電圧は約５ＭＶ/ｃｍ２、抵抗率は１０１４Ωｃｍであった。また薄膜表面の表面粗さは、ＲＭＳ値で約０．２０ｎｍであった。
本願発明に係る製造方法及び製造装置は、耐熱性の低い可塑性のあるプラスチック基板上に塗布プロセスによって電子産業界で使われているものと同等の電気的性質及び信頼性・耐久性を持つ半導体素子を作製できる物であり、製造工程の簡便・省エネルギー化と共にフィルム素子化、大面積化、フレキシブル素子化を可能とする。その結果、耐衝撃性、耐候性、携帯性、低コスト等を高度に要求される電子荷札、電子ポスター、電子ペーパー等の電子デバイスの大量生産化に利用可能である。
本願発明に係る薄膜形成装置の概念図 本願発明の実施例１において作製した絶縁膜の赤外吸収スペクトル図 本願発明の実施例１において作製した酸化シリコン薄膜の抵抗率ー電界強度特性図 本願発明の実施例２において作製した酸化シリコン薄膜の抵抗率ー電界強度特性図 本願発明の実施例３において作製した酸化シリコン薄膜の抵抗率ー電界強度特性図 本願発明の参考例１において作製した酸化シリコン薄膜の抵抗率ー電界強度特性図 本願発明の参考例２において作製した酸化シリコン薄膜の抵抗率ー電界強度特性図
符号の説明
１０ 基板搬送治具
２０ 紫外光ランプ
３０ 温度保持装置
４０ 塗布膜形成装置
５０ 基板前処理装置
６０ 塗布膜乾燥装置
７０ 反応ガス導入管
８０ 生成ガス排出管
９０ ガス遮断カーテン
１００ 基板

Claims (7)

  1. 酸化シリコン薄膜形成装置であって、
    基板表面にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る塗設膜を塗設するための塗設手段、ガス雰囲気制御手段、塗設面の上方に設けた紫外光源及び該基板又は該基板を支持する台の下方に設けられた基板温度保持装置を備え、
    上記紫外光源と上記基板温度保持装置の間を上記基板が連続的に搬送されるための搬入部と搬出部を備えることを特徴とする酸化シリコン薄膜形成装置。
  2. 酸化シリコン薄膜形成装置であって、
    基板表面にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る塗設膜を塗設するための塗設手段、ガス雰囲気制御手段、塗設面の上方に設けた紫外光源及び該基板又は該基板を支持する台の下方に設けられた基板温度保持装置を備え、
    上記塗設膜中の原料を除く溶媒の一部又は全部を除去するための溶媒除去手段を有することを特徴とする酸化シリコン薄膜形成装置。
  3. 酸化シリコン薄膜形成装置であって、
    基板表面にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る塗設膜を塗設するための塗設手段、ガス雰囲気制御手段、塗設面の上方に設けた紫外光源及び該基板又は該基板を支持する台の下方に設けられた基板温度保持装置を備え、
    上記塗設手段の前段に、上記基板を洗浄、脱気又は表面に付着した不純物を除去するための洗浄手段を有することを特徴とする酸化シリコン薄膜形成装置。
  4. 酸化シリコン薄膜形成装置であって、
    基板表面にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る塗設膜を塗設するための塗設手段、ガス雰囲気制御手段、塗設面の上方に設けた紫外光源及び該基板又は該基板を支持する台の下方に設けられた基板温度保持装置を備え、
    制御されたガス雰囲気を発生させるためのガス導入口及びガス排出口を有し、上記ガス導入口及び上記ガス排出口は、上記基板の搬送方向に直交する平面上において、互いに対向して配置されていることを特徴とする酸化シリコン薄膜形成装置。
  5. 酸化シリコン薄膜形成装置であって、
    基板表面にシラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から成る塗設膜を塗設するための塗設手段、ガス雰囲気制御手段、塗設面の上方に設けた紫外光源及び該基板又は該基板を支持する台の下方に設けられた基板温度保持装置を備え、
    上記シラザン構造又はシロキサン構造を含むケイ素化合物から酸化シリコンに転化反応を行う工程室の機材搬入口及び機材搬出口にカーテン機構を設けたことを特徴とする酸化シリコン薄膜形成装置。
  6. 上記紫外光源と上記基板温度保持装置は、上記基板の搬送方向に直交する平面上において並列に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の酸化シリコン薄膜形成装置。
  7. 上記ガスは、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、オゾンガス、アンモニアガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、過酸化水素ガス、一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス、亜窒化酸素ガス及びアルゴンガスから選ばれた１種又は複数種であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の酸化シリコン薄膜形成装置。
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