JP5192954B2 - 連続薄膜の形成方法、形成装置、成膜ガラス基板及び半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、幅に対して厚さが小さく長手方向に十分に長い帯状の基板上に所定の薄膜を連続して形成する連続薄膜形成方法等の技術に関するものであり、特にアモルファスシリコン又は多結晶シリコン（ポリシリコン）等の緻密なシリコン薄膜を形成するのに好適な連続薄膜形成方法等の技術に関する。

ＴＦＴ（Thin Film Transistor）、有機ＥＬ等では、ガラス基板上にシリコン薄膜を形成し、形成したシリコン薄膜上に駆動回路を形成している。このようなガラス基板上に各種薄膜を形成する成膜技術は、半導体製造技術の基礎となる重要な技術分野である。

ガラス基板への成膜技術の一例として、ＴＦＴ等の成膜工程を説明する。ＴＦＴの製造工程においては、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜、またはポリシリコン膜を形成し、該シリコン膜上に、液晶を駆動する駆動回路やトランジスタ等の半導体制御回路を形成している。最近の傾向として、高速動作の要請から、ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成する技術が注目されている。ポリシリコン膜を形成する従来技術においては、まず、アモルファスシリコンを成膜した後、アモルファスシリコンをレーザアニールや熱アニール法によりポリシリコンに変換している。

通常、ガラス基板上にアモルファスシリコンを形成するのに、蒸着法、スパッタ法、または各種ＣＶＤ法が用いられる。最も多用されているプラズマＣＶＤ法では、原料ガスのシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）をグロー放電により分解し、アモルファスシリコン薄膜を基板上に成長させている。基板には結晶シリコン、ガラス、耐熱プラスチックなどが用いられ、通常４００℃以下で成長させる。また、この方式では、大面積のものを作成することができるといったメリットがある。

ガラス基板上にポリシリコン膜を形成する従来技術の一例を、特許文献１を用いて説明する。まず基板となるガラス基板の上に酸化膜を形成し、その上にＣＶＤ法等により水素含有のアモルファスシリコン膜を堆積する。その後、熱処理により脱水素処理を行い、エキシマレーザの照射によるアニール処理によりアモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に変化させる。その後、さらにいくつかの処理を経てポリシリコン膜を得ることができる。

上記のような水素含有アモルファスシリコン膜は、ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法により堆積されるのが一般的である。このようなＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ法等の処理は通常４００℃程度の温度で行われ、脱水素処理も通常４００℃〜５００℃の温度下で６０分程度行われる。

上記のように、従来のポリシリコン膜を形成する処理は最高でも５００℃程度で行われるため、基板材料として材料費の安い多成分ガラスなどを使用することができ、基板材料の選択自由度が高いという利点がある。
特開平１１−２０４７９４号公報

しかしながら、シラン等を原料とする成膜プロセスは、減圧プロセスを伴うためバッチプロセスとなり、既存の装置では成膜速度を大幅に高めて生産性を改善することは望めない。特にシランを用いた真空プロセスの場合には、アモルファスシリコン薄膜中に水素を多く含有しているため、結晶粒径を大きくしてポリシリコンに変換するための熱アニールやレーザアニールの処理の前に、脱水素プロセスを長時間行う必要があった。この脱水素プロセスは、例えば６０分にも及ぶ処理時間が必要となる等、生産性に大きな問題があった。

また、核形成、結晶成長、アニール等の各プロセスをバッチ処理する場合、例えば加熱炉を用いて次のプロセスで必要な温度に加熱するのに、ある程度の時間がかかっていた。そのため、たとえば核形成のプロセスで形成された結晶核が結晶成長プロセスへの移行中にマイグレーション等により変化して品質劣化が進むおそれがあった。
さらに、従来より原料ガスにシラン（ＳｉＨ_４）等が用いられているが、シランは酸素と反応して発火しやすいといった危険性があるため、取扱いが難しいといった問題もある。

本発明は、上記のような従来技術の問題に鑑みてなされたもので、基板上に各種薄膜を高速で連続的に形成することのできる連続薄膜の形成方法、形成装置、成膜ガラス基板及び半導体素子を提供することを目的とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の第１の態様は、帯状の基板と反応ガスとを内部に連続的に通過させる反応管と、前記反応管の外部から加熱する加熱炉とを用いて前記基板上に前記反応ガスの成分からなる薄膜を連続的に形成する連続薄膜形成方法であって、前記反応管が前記基板を通過させる方向に核形成ゾーン、結晶成長ゾーン、および冷却ゾーンに区分されており、前記核形成ゾーンで入口側に設けられた第１供給口から該核形成ゾーンの内部に第１の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）に四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ _４ ）または塩素（Ｃｌ _２ ）を混合したガスを供給して出口側に設けられた第１排気口から排気することで前記基板上に所定の結晶核を形成し、前記結晶成長ゾーンで入口側に設けられた第２供給口から該結晶成長ゾーンの内部に前記第１の反応ガスとは異なる第２の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）を供給して出口側に設けられた第２排気口から排気することで前記結晶核を成長させて結晶を形成し、前記冷却ゾーンで前記基板を冷却することで前記結晶を定着して薄膜を形成することを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記加熱炉は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとをそれぞれ独立して加熱していることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第１の反応ガスは、前記第２の反応ガスよりも多くの塩素成分を含んでいることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記冷却ゾーンの入口側に設けられた第３供給口から該冷却ゾーンの内部に冷却用ガスを供給して前記基板を前記反応管の外部に引き出すための引出口から排気することを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記冷却用ガスは、水素（Ｈ_２）であることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記核形成ゾーンには、前記基板を導入する導入口と前記第１供給口との間に第４供給口が設けられており、該第４供給口から前記核形成ゾーンの内部に所定の不活性ガスを供給して前記導入口から排気することを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンとの境界部、および前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとの境界部で一時的に冷却されることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記薄膜は、多結晶構造を有していることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記薄膜は、ポリシリコン薄膜であることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記加熱炉の加熱手段として、熱ＣＶＤを用いることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記加熱炉の加熱手段として、プラズマＣＶＤを用いることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板として、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスを用いることを特徴とする。

この発明にかかるガラス基板の製造方法の第１の態様は、上記のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法により製造された前記基板を所望の長さに切断して幅方向に接続することにより、前記薄膜を備えた基板を作製することを特徴とする。
この発明にかかる半導体素子または半導体モジュールの第１の態様は、上記のガラス基板の製造方法により製造されたガラス基板を用いて製造されることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の第１の態様は、帯状の基板と反応ガスとを内部に連続的に通過させる反応管と、前記反応管の外部から加熱する加熱炉とを備えて前記基板上に前記反応ガスの成分からなる薄膜を連続的に形成する連続薄膜形成装置であって、前記反応管は、前記基板を通過させる方向に核形成ゾーン、結晶成長ゾーン、および冷却ゾーンに区分されており、前記核形成ゾーンの入口側に設けられて第１の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）に四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ _４ ）または塩素（Ｃｌ _２ ）を混合したガスを該核形成ゾーンの内部に供給する第１供給口と、前記核形成ゾーンの出口側に設けられて前記第１の反応ガスを排気する第１排気口と、前記結晶成長ゾーンの入口側に設けられて前記第１の反応ガスとは異なる第２の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）を該結晶成長ゾーンの内部に供給する第２供給口と、前記結晶成長ゾーンの出口側に設けられて前記第２の反応ガスを排気する第２排気口と、を備えることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記加熱炉は、前記核形成ゾーンを加熱する第１加熱部と、前記結晶成長ゾーンを加熱する第２加熱部と、前記冷却ゾーンを加熱する第３加熱部とを備え、前記第１〜第３加熱部による加熱はそれぞれ独立して制御されていることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記反応管は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンとの境界の断面、および前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとの境界の断面が、前記各ゾーンの断面よりも狭くなっていることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記冷却ゾーンの入口側に冷却用ガスを該冷却ゾーンの内部に供給する第３供給口を備え、前記基板を前記反応管の外部に引き出すための引出口から前記冷却用ガスを排気することを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記核形成ゾーンには、前記基板を導入する導入口と前記第１供給口との間に第４供給口が設けられ、該第４供給口から前記核形成ゾーンの内部に所定の不活性ガスが供給されて前記導入口から排気されることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンのそれぞれの内部には、前記基板に近接させてサセプタを配置していることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記加熱炉は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンとの境界、および前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとの境界、のそれぞれで前記反応管を外気に接触させるための空隙部を有していることを特徴とする。

この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、上記のいずれか一項に記載の連続薄膜形成装置において、帯状の基板を供給する手段と成膜された基板を巻き取る手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、核形成と結晶成長で異なる反応ガスを用いることで、所定の結晶粒径の各種薄膜を基板上に高速で連続的に形成することのできる連続薄膜の形成方法、形成装置、成膜ガラス基板及び半導体素子を提供することが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態にかかる連続薄膜形成方法等について説明する。なお、以下の説明では、一例として石英ガラス基板にシリコン薄膜を形成する実施例を用いて説明するが、これに限定されることなく、反応ガスの種類に対応して所定の薄膜を形成することが可能である。また、基板には、石英ガラス基板に限らず、温度条件等に適合する各種ガラス基板やパイレックス（登録商標）等を用いることが可能である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施の形態に係る連続薄膜形成方法及び連続薄膜形成装置を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。本実施形態の基板１０には、厚さが小さく長尺に形成された帯状の石英ガラス基板が用いられる。

図１において、連続薄膜形成装置１００は反応管１１０と、加熱炉１２０と、基板１０を移動させるための供給ドラム１４１および巻き取りドラム１４２とを備えている。供給ドラム１４１に巻き付けられた基板１０は、反応管１１０の導入口１１１から反応管１１０の内部に導入され、反応管１１０の内部で成膜された後引出口１１２から引き出されて巻き取りドラム１４２に巻き取られる。

反応管１１０の概略構成を以下に説明する。反応管１１０は、石英ガラスで形成することができ、第１境界部１１３及び第２境界部１１４で３つのゾーンに区切られている。第１境界部１１３及び第２境界部１１４は、その断面積が近傍の反応管１１０の断面積より小さくなるように細く形成されている。これにより、各ゾーンに供給されたガスが隣接するゾーンに侵入するのをできるだけ抑制するようにしている。

反応管１１０は、導入口１１１から第１境界部１１３までを核形成ゾーン１１５、第１境界部１１３から第２境界部１１４までを結晶成長ゾーン１１６、および第２境界部１１４から引出口１１２までを冷却ゾーン１１７としている。基板１０が、導入口１１１から核形成ゾーン１１５、結晶成長ゾーン１１６、および冷却ゾーン１１７を経由して引出口１１２まで移動可能なように各ゾーンが貫通されている。

核形成ゾーン１１５には、所定のガスを供給するための第１供給口１３１と第４供給口１３４、およびガスを排気するための第１排気口１３５が設けられている。第１供給口１３１と第１排気口１３５は、核形成ゾーン１１５のそれぞれ入口側（導入口１１１側）と出口側（第１境界部１１３側）に設けられ、第１供給口１３１から供給された第１の反応ガス１１が第１排気口１３５から排気されるようにしている。

第４供給口１３４は、導入口１１１と第１供給口１３１との間に設けられており、これを経由して不活性ガス１３が核形成ゾーン１１５内に供給されている。第４供給口１３４から供給される不活性ガス１３は、第１供給口１３１から供給される第１の反応ガス１１が導入口１１１側から漏出するのを防止するために供給されるものであり、第１の反応ガス１１をシールドして導入口１１１から外部に排気される。不活性ガス１３として、たとえばアルゴン（Ａｒ）ガスを用いることができる。

また、結晶成長ゾーン１１６には、第２の反応ガス１２を供給するための第２供給口１３２と、第２の反応ガス１２を排気するための第２排気口１３６が設けられている。第２供給口１３２と第２排気口１３６は、結晶成長ゾーン１１６のそれぞれ入口側（第１境界部１１３側）と出口側（第２境界部１１４側）に設けられ、第２供給口１３２から供給された第２の反応ガス１２が第２排気口１３６から排気されるようにしている。

さらに、冷却ゾーン１１７には、冷却用ガス１４をその内部に供給するための第３供給口１３３が設けられている。冷却用ガス１４は、基板１０を冷却するとともに、第２の反応ガス１２が結晶成長ゾーン１１６から流れ込んでくるのを防止している。第３供給口１３３は、冷却ゾーン１１７の入口側（第２境界部１１４側）に設けられ、第３供給口１３３から供給された冷却用ガス１４を引出口１１２から排気している。冷却用ガス１４として、たとえば水素（Ｈ_２）ガスやヘリウム（Ｈｅ_２）ガスを用いることができる。

次に、加熱炉１２０の構成を以下に説明する。加熱炉１２０は、反応管１１０の外周に配置され、反応管１１０の内部を核形成ゾーン１１５、結晶成長ゾーン１１６、および冷却ゾーン１１７毎に独立して加熱する構成となっている。すなわち、炉殻１２０ａの内部に核形成ゾーン１１５を加熱する第１加熱部１２１と、結晶成長ゾーン１１６を加熱する第２加熱部１２２と、冷却ゾーン１１７を加熱する第３加熱部１２３とが設けられている。第１〜第３加熱部１２１〜１２３は、温度制御部１２４によってそれぞれ独立して制御されており、核形成ゾーン１１５、結晶成長ゾーン１１６、および冷却ゾーン１１７をそれぞれ独立に加熱することができる。

加熱炉１２０の加熱手段として熱ＣＶＤを用いることができ、この場合には第１〜第３加熱部１２１〜１２３から赤外線を放射させる。赤外線により基板１０を高温に加熱するために、反応炉１１０内部の各ゾーンには基板に近接または接触させてサセプタ１２５〜１２７を配置している。加熱炉１２０の加熱手段として、熱ＣＶＤに限定せず例えばプラズマＣＶＤ等を用いることも可能である。

上記のように構成された連続薄膜形成装置１００では、供給ドラム１４１に巻き付けられた基板１０が、導入口１１１から反応管１１０の内部に導入されて各ゾーン１１５〜１１７を通過する間に薄膜が形成され、引出口１１２から引き出されて巻き取りドラム１４２に巻き取られる。基板１０の長手方向に対し垂直な面の断面の寸法として幅をｂ、厚さをｄとしたとき、ｂｄ／（２（ｂ＋ｄ））が０．０１５以上０．１５以下となるように寸法ｂ、ｄを決定するのがよい。これにより、ポリシリコンを成膜することが可能となる。

基板１０の具体例として、幅ｂが数ｍｍから数十ｍｍ程度の長尺の帯状に加工されたものを用い、厚さｄを３０μｍ以上３００μｍ以下とするのがよい。これにより、基板１０の熱容量を小さくすることができる。また、好ましくは、厚さｄを６０μｍ以上２００μｍ以下となるようにするのがよい。これにより、フレキシブル性が増して取り扱いが容易になる。それとともに表面積を大きくすることにより、基板１０を急速加熱及び急速冷却することが可能となり、基板１０上に高速かつ連続的に薄膜を形成することができる。基板１０に石英ガラス基板を用いた場合には、加熱炉１２０に熱ＣＶＤを用いてこれを１２００度以上に加熱することができる。これにより、基板１０上に３０ｎｍから５００ｎｍ程度のシリコン薄膜を形成することが可能となる。

基板１０は、核形成ゾーン１１５を通過する間に所定の温度まで加熱され、第１供給部１３１から供給される第１の反応ガス１１の成分からなる結晶核がその表面上に形成される。本実施形態では、第１の反応ガス１１として結晶核の原料となるガスに塩素を多く含むガスを混合したものを用いている。塩素は、基板１０上に形成された結晶核を削り取るエッチング効果を有しており（以下では、このようなガスをエッチングガスという）、このようなガスを混合することにより基板１０上に形成される結晶核の個数を制限している。

第１の反応ガス１１の一例として、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）に四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）または塩素（Ｃｌ_２）等の塩素を多く含むエッチングガスを混合したものを用いることができ、これにより基板１０上にシリコン（ケイ素；Ｓｉ）の結晶核が形成される。エッチングガスを混合したことにより、基板１０上に残されるシリコンの結晶核の数を制限することができる。基板１０上に残される結晶核の数は、第１の反応ガス１１に混合されるエッチングガスの比率を大きくするほど少なくなる。

上記のように、本実施形態ではエッチングガスの混合比率によって結晶核の形成状態を制御することができる。また、第１の反応ガス１１に用いるガスの種類を変えることによっても、基板１０上に形成される結晶核の分布状態を変えることができる。さらに、第１の反応ガス１１の供給量によっても結晶核の数を調整することができ、図１に示すガス流量制御部１３０を用いて第１の反応ガス１１の供給量を制御する。基板１０上に形成する結晶核を少なくする場合には、第１の反応ガス１１の供給量も少なくする。

次の結晶成長ゾーン１１６では、基板１０が核形成ゾーン１１５よりもさらに加熱され、第２供給部１３２から供給される第２の反応ガス１２が基板１０上で分解してＳｉ結晶を成長させる。結晶成長ゾーン１１６では、基板１０を１０５０℃以上１３００℃以下の範囲で加熱するのがよい。

第２の反応ガス１２として、第１の反応ガス１１よりも構成元素の塩素成分が少なく比較的安定して安全なガスを用いるのがよい。また、核形成ゾーン１１５で形成される結晶核の数を制限した場合には各結晶核を大きく成長させることができることから、第２の反応ガス１２を結晶成長ゾーン１１６に多量に供給するのがよい。第２の反応ガス１２として、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を用いることができる。また、シラン（ＳｉＨ_４）等を用いることも可能であるが、シラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）等は発火しやすく取り扱いに注意を要するため必ずしも好ましくはない。

続く冷却ゾーン１１７では、結晶成長ゾーン１１６で形成されたシリコンの結晶粒が、ここで急速冷却される。本実施形態では、冷却ゾーン１１７に冷却用ガス（Ｈ_２ガス）を供給して冷却しており、これにより結晶粒が基板１０上でマイグレーションするのを抑制して基板１０上に定着させている。

上記実施例のように、本実施形態では核形成ゾーン１１５に供給する第１の反応ガス１１と結晶成長ゾーン１１６に供給する第２の反応ガス１２のそれぞれの種類を適切に選択することで、比較的大きな結晶粒からなる薄膜を基板１０上に形成することができる。本実施形態では、結晶核を形成するための第１の反応ガス１１と結晶成長させるための第２の反応ガス１２に、それぞれ異なる種類のガスを用いることができる。これにより、結晶核の分布を好適に調整することができ、また所望の大きさでほぼ均一となるように結晶を成長させることができる。

上記実施例のように、粒径の大きな結晶を形成するには、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）に塩素成分の多いエッチングガスを高い比率で混合したものを第１の反応ガス１１に用いるのがよく、これにより核形成ゾーン１１５で生成される結晶核の数を少なくし、結晶成長ゾーン１１６でエッチングガスの混合比率の低い第２の反応ガスを用いて各結晶核を大きく成長させることができる。これに対し、粒径の小さな結晶を形成する場合には、第１の反応ガス１１としてエッチングガスの混合比率を低くするか塩素を含まないシラン系のガスを用いるのがよい。これにより、核形成ゾーン１１５で生成される結晶核の数を増やして結晶核の間隔を小さくすることができる。

連続薄膜形成装置１００では、第１の反応ガス１１、第２の反応ガス１２、不活性ガス１３、および冷却用ガス１４の流速あるいはガス圧を調整するために、ガス流量制御部１３０が設けられている。ガス流量制御部１３０は、それぞれのガスの流量あるいはガス圧を独立して制御することが可能となっており、これにより第１の反応ガス１１および第２の反応ガス１２の供給量を調整して結晶核の分布状態や結晶成長を調整することができる。

次に、本実施形態の連続薄膜形成装置１００において、反応管１１０の内部で実現される温度分布の一実施例を、図２を用いて説明する。図２では、基板１０の温度変化を符号２０で示し、反応管１１０内部の温度分布を符号２１で示している。本実施形態では、境界部１１３、１１４の長さをできるだけ小さくすることで、核形成ゾーン１１５の内部温度から結晶成長ゾーン１１６の内部温度への温度切り替えを短時間で行えるようにしており、同様に結晶成長ゾーン１１６の内部温度から冷却ゾーン１１７の内部温度への温度切り替えも短時間で行えるようにしている。第１境界部１１３及び第２境界部１１４では、従来のバッチ処理の場合に比べて１／１００〜１／１０００程度の時間で温度切り替えが行えるようにしている。

従来のバッチ処理では、各プロセスの移行に時間がかかっていたため、基板上に形成された結晶核が移行期間中にマイグレーション等により変化して品質劣化が進むおそれがあった。これに対し本実施形態では、上記のように各ゾーン間での温度切り替えを短時間で行えるようにしていることから、各ゾーンで形成された結晶状態をできるだけ維持したまま次のゾーンに移動させることができる。その結果、結晶粒のマイグレーションを低減してほぼ均一なＳｉ結晶を形成することが可能となる。

上記説明のように、本実施形態の連続薄膜形成装置１００を用いた連続薄膜形成方法では、核形成に用いる第１の反応ガスと結晶成長に用いる第２の反応ガスとを適切に選択することで、結晶粒の大きさを調整して均一な薄膜を基板上に形成することが可能となる。また、上記実施例では、基板１０の片面のみに薄膜を形成する場合について説明したが、これに限らず、基板１０の両面に第１の反応ガス１１及び第２の反応ガスを供給することで、基板１０の両面に薄膜を形成することができる。

（第２の実施形態）
本発明の連続薄膜形成方法および装置の第２の実施形態を、図３に示す実施例を用いて以下に説明する。本実施形態の連続薄膜形成装置２００では、加熱炉２２０において第１加熱部２２１と第２加熱部２２２との間、および第２加熱部２２２と第３加熱部２２３との間にそれぞれ空隙部２２０ａ，２２０ｂを設けている。このような空隙部２２０ａ、２２０ｂを設けることで、反応管１１０の第１境界部１１３および第２境界部１１４が外気で直接冷却されるようにしている。空隙部２２０ａ、２２０ｂは、加熱炉２２０を３つに分割して切り離すことで形成してもよいし、加熱炉２２０の一部を切除して形成してもよい。

空隙部２２０ａ、２２０ｂを有する本実施形態の連続薄膜形成装置２００では、反応管１１０の内部で実現される温度分布が、特に第１境界部１１３および第２境界部１１４の周辺で異なってくる。本実施形態の反応管１１０内部の温度分布の一実施例を、図４を用いて説明する。図４では、基板１０の温度変化を符号３０で示し、反応管１１０内部の温度分布を符号３１で示している。

本実施形態では、境界部１１３、１１４を外気で冷却するように構成したことで、第１境界部１１３および第２境界部１１４で反応管１１０内部の温度３１が急激に低下している。このような急速冷却により、基板１０上に形成された結晶粒を安定的に固定させている。第１境界部１１３および第２境界部１１４において外気で急速冷却される時間は、例えば０．１秒以下の極めて短時間とするのがよい。このような短時間では、基板１０の温度３０はほとんど低下することはない。

上記のように、本実施形態では第１境界部１１３および第２境界部１１４において反応管１１０内部を外気で急速冷却しており、これにより結晶粒のマイグレーションを防止して基板１０上にほぼ均一な結晶粒からなる高品質な薄膜を形成することが可能となる。

本発明のガラス基板の製造方法は、上記説明の本発明の連続薄膜形成方法及び装置を用いて製造された薄膜を有する基板を、所定の長さに複数本切断してこれを幅方向に順次接続していく。これにより、所望の幅の二次元成膜ガラス基板を作製することができる。また、このようにして作製されたガラス基板上に半導体素子またはモジュールを形成することができる。

本発明によれば、核形成と結晶成長で異なる反応ガスを用いることで、所定の結晶粒径の各種薄膜を基板上に高速で連続的に形成することのできる連続薄膜の形成方法、形成装置、成膜ガラス基板及び半導体素子を提供することが可能となる。反応ガスを好適に選択してガス流量の制御および温度制御を好適に行うことで、ほぼ均一な結晶粒からなる薄膜を基板上に形成することができる。さらに、核形成ゾーン、結晶成長ゾーン、冷却ゾーンの長さ等を調整することで、所望の薄膜を有する基板を作製することができる。

本発明の連続薄膜形成方法により薄膜が形成された基板は、薄いフィルム状に形成されることから、これを用いた製品の軽量化を図るとともに、変形容易といったフレキシビリティに富んでいるので、剛性の高いガラス基板に比べてより多くの用途に使用可能となる。

本発明の第１の実施形態にかかる連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。 第１の実施形態の反応管の内部および基板の温度変化を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。 第２の実施形態の反応管の内部および基板の温度変化を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 第１の反応ガス
１２ 第２の反応ガス
１３ 不活性ガス
１４ 冷却用ガス
１００、２００ 連続薄膜形成装置
１１０ 反応管
１１１ 導入口
１１２ 引出口
１１３ 第１境界部
１１４ 第２境界部
１１５ 核形成ゾーン
１１６ 結晶成長ゾーン
１１７ 冷却ゾーン
１２０、２２０ 加熱炉
１２１、２２１ 第１加熱部
１２２、２２２ 第２加熱部
１２３、２２３ 第３加熱部
１２４ 温度制御部
１２５〜１２７ サセプタ
１３０ ガス流量制御部
１３１ 第１供給部
１３２ 第２供給口
１３３ 第３供給口
１３４ 第４供給口
１３５ 第１排気口
１３６ 第２排気口
１４１ 供給ドラム
１４２ 巻き取りドラム
１４３ 移動速度制御部

Claims (22)

1. 帯状の基板と反応ガスとを内部に連続的に通過させる反応管と、前記反応管の外部から加熱する加熱炉とを用いて前記基板上に前記反応ガスの成分からなる薄膜を連続的に形成する連続薄膜形成方法であって、
   前記反応管が前記基板を通過させる方向に核形成ゾーン、結晶成長ゾーン、および冷却ゾーンに区分されており、
   前記核形成ゾーンで入口側に設けられた第１供給口から該核形成ゾーンの内部に第１の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）に四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ _４ ）または塩素（Ｃｌ _２ ）を混合したガスを供給して出口側に設けられた第１排気口から排気することで前記基板上に所定の結晶核を形成し、
   前記結晶成長ゾーンで入口側に設けられた第２供給口から該結晶成長ゾーンの内部に前記第１の反応ガスとは異なる第２の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）を供給して出口側に設けられた第２排気口から排気することで前記結晶核を成長させて結晶を形成し、
   前記冷却ゾーンで前記基板を冷却することで前記結晶を定着して薄膜を形成する
   ことを特徴とする連続薄膜形成方法。
2. 前記加熱炉は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとをそれぞれ独立して加熱している
   ことを特徴とする請求項１に記載の連続薄膜形成方法。
3. 前記第１の反応ガスは、前記第２の反応ガスよりも多くの塩素成分を含んでいる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の連続薄膜形成方法。
4. 前記冷却ゾーンの入口側に設けられた第３供給口から該冷却ゾーンの内部に冷却用ガスを供給して前記基板を前記反応管の外部に引き出すための引出口から排気する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
5. 前記冷却用ガスは、水素（Ｈ _２ ）である
   ことを特徴とする請求項４に記載の連続薄膜形成方法。
6. 前記核形成ゾーンには、前記基板を導入する導入口と前記第１供給口との間に第４供給口が設けられており、該第４供給口から前記核形成ゾーンの内部に所定の不活性ガスを供給して前記導入口から排気する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
7. 前記基板は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンとの境界部、および前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとの境界部で一時的に冷却される
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
8. 前記薄膜は、多結晶構造を有している
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
9. 前記薄膜は、ポリシリコン薄膜である
   ことを特徴とする請求項８に記載の連続薄膜形成方法。
10. 前記加熱炉の加熱手段として、熱ＣＶＤを用いる
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
11. 前記加熱炉の加熱手段として、プラズマＣＶＤを用いる
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
12. 前記基板として、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスを用いる
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法により製造された前記基板を所望の長さに切断して幅方向に接続することにより、前記薄膜を備えた基板を作製する
    ことを特徴とするガラス基板の製造方法。
14. 請求項１３に記載のガラス基板の製造方法により製造されたガラス基板を用いて製造された半導体素子または半導体モジュール。
15. 帯状の基板と反応ガスとを内部に連続的に通過させる反応管と、前記反応管の外部から加熱する加熱炉とを備えて前記基板上に前記反応ガスの成分からなる薄膜を連続的に形成する連続薄膜形成装置であって、
    前記反応管は、前記基板を通過させる方向に核形成ゾーン、結晶成長ゾーン、および冷却ゾーンに区分されており、
    前記核形成ゾーンの入口側に設けられて第１の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）に四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ _４ ）または塩素（Ｃｌ _２ ）を混合したガスを該核形成ゾーンの内部に供給する第１供給口と、
    前記核形成ゾーンの出口側に設けられて前記第１の反応ガスを排気する第１排気口と、
    前記結晶成長ゾーンの入口側に設けられて前記第１の反応ガスとは異なる第２の反応ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）を該結晶成長ゾーンの内部に供給する第２供給口と、
    前記結晶成長ゾーンの出口側に設けられて前記第２の反応ガスを排気する第２排気口と、
    を備える
    ことを特徴とする連続薄膜形成装置。
16. 前記加熱炉は、前記核形成ゾーンを加熱する第１加熱部と、前記結晶成長ゾーンを加熱する第２加熱部と、前記冷却ゾーンを加熱する第３加熱部とを備え、前記第１〜第３加熱部による加熱はそれぞれ独立して制御されている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の連続薄膜形成装置。
17. 前記反応管は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンとの境界の断面、および前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとの境界の断面が、前記各ゾーンの断面よりも狭くなっている
    ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の連続薄膜形成装置。
18. 前記冷却ゾーンの入口側に冷却用ガスを該冷却ゾーンの内部に供給する第３供給口を備え、前記基板を前記反応管の外部に引き出すための引出口から前記冷却用ガスを排気する
    ことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の連続薄膜形成装置。
19. 前記核形成ゾーンには、前記基板を導入する導入口と前記第１供給口との間に第４供給口が設けられ、該第４供給口から前記核形成ゾーンの内部に所定の不活性ガスが供給されて前記導入口から排気される
    ことを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の連続薄膜形成装置。
20. 前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンのそれぞれの内部には、前記基板に近接させてサセプタを配置している
    ことを特徴とする請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成装置。
21. 前記加熱炉は、前記核形成ゾーンと前記結晶成長ゾーンとの境界、および前記結晶成長ゾーンと前記冷却ゾーンとの境界、のそれぞれで前記反応管を外気に接触させるための空隙部を有している
    ことを特徴とする請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載の連続薄膜形成装置。
22. 請求項１５乃至２１のいずれか一項に記載の連続薄膜形成装置において、帯状の基板を供給する手段と成膜された基板を巻き取る手段が設けられている
    ことを特徴とする連続薄膜形成装置。

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