JP6005549B2 - 加熱処理装置及び加熱処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波を利用する加熱処理装置及び加熱処理方法に関する。
ＦＰＤパネルやＰＶパネル等の大型パネルの製造過程では、大型のガラス基板の表面にＣＶＤによって大面積のシリコン薄膜を形成し、該シリコン薄膜を利用して多数のＴＦＴトランジスタやＰＩＮダイオードを形成する。ここで、シリコン薄膜は、半導体ウエハではなくガラス基板上に形成されるため、結晶が成長せず、アモルファス状態が維持される。
一方、例えば、スーパーハイビジョンに対応するＦＰＤパネルではＴＦＴトランジスタにおいて高い移動度や相互コンダクタンス（ｇｍ）が要求されるが、アモルファス状態のシリコン薄膜（以下、「アモルファスシリコン薄膜」）では移動度や相互コンダクタンスが低いという問題がある。そこで、アモルファスシリコン薄膜を熱処理によって単結晶化、若しくは多結晶化することが提案されている。
アモルファスシリコン薄膜の熱処理には、例えば、レーザ光照射による低温熱処理技術が通常用いられるが、レーザ光は干渉し易く、スポット径が細いために与える面内熱量の制御が困難であり、大面積のシリコン薄膜において当該シリコン薄膜へ均一に熱処理を施すのは困難であり、均一な結晶化が困難である。その結果、ＴＦＴトランジスタにおいて閾値電圧がばらつく等の問題が生ずる。
また、近年、マイクロ波はレーザ光よりも制御し易いためマイクロ波による熱処理技術が開発されてアモルファスシリコン薄膜の熱処理に適用されている。マイクロ波による熱処理技術を用いる場合、処理空間内にマイクロ波を導入し、ガラス基板を処理空間へ曝すことによってマイクロ波をガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜へ吸収させる（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開平５−９０１７８号公報 特開２００９−９１６０４号公報
しかしながら、導入されたマイクロ波は処理空間を形成する内壁面で反射するため、処理空間内で定在波が発生することがある。定在波が発生すると、定在波の腹に対向するアモルファスシリコン薄膜の部分は強く加熱され、定在波の節に対向するアモルファスシリコン薄膜の部分は余り加熱されないため、アモルファスシリコン薄膜の均一な熱処理が困難となる。
本発明の目的は、マイクロ波を用いて被処理体へ均一な熱処理を施すことができる加熱処理装置及び加熱処理方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項１記載の加熱処理装置は、内部へマイクロ波が導入される複数の管状の処理室を備え、前記複数の処理室は互いに平行に配置され、且つ前記複数の処理室の各々は被処理体に対向する開口部を有し、各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたとき、各前記処理室内で発生する定在波の位相が互いに一致しないように、各前記処理室が前記長手方向に関してずらして配置されることを特徴とする。
請求項２記載の加熱処理装置は、請求項１記載の加熱処理装置において、前記複数の処理室をｎ個備える場合、前記マイクロ波の実効波長をλｇとすると、各前記処理室は前記長手方向に関してλｇ／（２×ｎ）ずつずらして配置されることを特徴とする。
請求項３記載の加熱処理装置は、請求項２記載の加熱処理装置において、各前記処理室は、当該処理室の内部へ前記マイクロ波を発振するアンテナを有し、各前記処理室の長手方向に関する一端の内壁から多端の内壁までの長さは、ｍ×λｇ／２（ｍは正の整数）であり、各前記処理室において、前記アンテナは前記処理室の長手方向に関する端部の内壁からλｇ／４＋ｐ×λｇ／２（ｐは０を含む正の整数）だけずらして配置されることを特徴とする。
請求項４記載の加熱処理装置は、請求項３記載の加熱処理装置において、各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたとき、各前記処理室のアンテナは重畳しないように配置される。
請求項５記載の加熱処理装置は、請求項４記載の加熱処理装置において、各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたとき、各前記処理室のアンテナは前記長手方向に関してほぼ均等に配置されることを特徴とする。
請求項６記載の加熱処理装置は、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の加熱処理装置において、各前記処理室は、前記開口部の脇に溝状のチョーク構造を有し、前記チョーク構造の深さはλｇ／４であることを特徴とする。
請求項７記載の加熱処理装置は、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の加熱処理装置において、各前記処理室は、前記開口部の近傍の壁部において当該処理室から前記被処理体へ向けてのマイクロ波の伝送を阻害するように設けられたスロットを有することを特徴とする。
請求項８記載の加熱処理装置は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の加熱処理装置において、各前記処理室によって前記マイクロ波を前記被処理体へ吸収させる前に、前記被処理体を予備加熱する予備加熱装置を有することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項９記載の加熱処理方法は、内部へマイクロ波が導入される複数の管状の処理室を備え、前記複数の処理室は互いに平行に配置され、且つ前記複数の処理室の各々は被処理体に対向する開口部を有する加熱処理装置において実行される加熱処理方法であって、各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたときに重畳して観察される各前記処理室内で発生する定在波の位相を互いにずらすことを特徴とする。
請求項１０記載の加熱処理方法は、請求項９記載の加熱処理方法において、一の前記処理室の内部へ前記マイクロ波が導入されるとき、他の前記処理室の内部へは前記マイクロ波が導入されないことを特徴とする。
請求項１１記載の加熱処理方法は、請求項９又は１０記載の加熱処理方法において、各前記処理室によって前記マイクロ波を前記被処理体へ吸収させる前に、前記被処理体を予備加熱することを特徴とする。
本発明によれば、各処理室の長手方向に垂直な方向から各処理室が重畳されるように各処理室を眺めたとき、各処理室内で発生する定在波の位相が互いに一致しないので、被処理体の各部に対向する各定在波の各位相における振幅の合計はほぼ均衡し、もって、各定在波によって付与される熱量を被処理体の各部において均一化することができる。その結果、マイクロ波を用いて被処理体へ均一な熱処理を施すことができる。
本発明の実施の形態に係る加熱処理装置の構成を概略的に示す斜視図である。 本実施の形態に係る加熱処理装置の構成を概略的に示す平面図である。 図２中の線III−IIIに沿う断面図である。 図１の加熱処理装置の各処理室において発生する定在波の重畳状態を示すグラフである。 図１の加熱処理装置における各マグネトロンの配置状態を示す図である。 図１の加熱処理装置の第１の変形例の構成を概略的に示す平面図である。 図７の加熱処理装置の各処理室において発生する定在波の重畳状態を示すグラフである。 各処理室のマグネトロンのマイクロ波の生成タイミングを示すタイミングチャートである。 マイクロ波漏洩防止機構を有する処理室の一実施例の構成を概略的に示す図であり、図９（Ａ）は斜視図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）中の線VIII−VIIIに沿う断面図である。 マイクロ波漏洩防止機構を有する処理室の他の実施例の構成を概略的に示す斜視図である。 図１の加熱処理装置の第２の変形例の構成を概略的に示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１乃至３は、本実施の形態に係る加熱処理装置の構成を概略的に示す図であり、図１は斜視図であり、図２は平面図であり、図３は図２中の線III−IIIに沿う断面図である。
図１乃至図３において、加熱処理装置１０は、複数の管状の処理室１１と、該複数の処理室１１の下方において複数の処理室１１に対向するように配置された複数のローラ１２とを備え、複数の処理室１１は、各処理室１１の長手方向（以下、単に「長手方向」という。）が互いに平行になり、且つ長手方向に垂直な方向に関して略均等に配列され、各ローラ１２は、金属からなる板状のサセプタＢに載置される基板ＧをサセプタＢとともに複数の処理室１１の配列方向（図２中の黒矢印）に沿って搬送する。
各処理室１１と各ローラ１２の間の隙間は基板Ｇの厚さより若干大きく設定され、該基板Ｇは各処理室１１及び各ローラ１２の間の隙間を通過する。基板Ｇはガラスからなり、厚さは、例えば、０．５ｍｍであり、基板Ｇの上面にはアモルファスシリコン薄膜が形成され、該アモルファスシリコン薄膜の厚さは、例えば、１μｍである。
各処理室１１は上面に配置されたマイクロ波を生成する１つのマグネトロン１３を有し、該マグネトロン１３は処理室１１の内部へ突出する棒状のアンテナ１４を有し、該アンテナ１４は処理室１１の内部へ向けて、例えば、９００ＭＨｚ乃至２０ＧＨｚのいずれかのマイクロ波を発振する。
各処理室１１は直方体状を呈し、長手方向の長さは一端の内壁面から他端の内壁面までの距離がｍ×λｇ／２（ｍは正の整数、λｇはマイクロ波の実効波長）に設定される。なお、図２における処理室１１の長手方向の長さの寸法は簡単のために処理室１１の一端の外壁面から他端の外壁面までの距離を示しているが、実際は処理室１１の一端の内壁面から他端の内壁面までの距離を示す。また、各処理室１１において、マグネトロン１３のアンテナ１４は処理室１１の一端又は他端の内壁面からλｇ／４＋ｐ×λｇ／２（ｐは０を含む正の整数）だけずらして配置される。
各処理室１１は各ローラ１２に対向する下面の壁部が除去されて形成される開口部１５を有し、各開口部１５は搬送される基板Ｇと対向する。開口部１５及び基板Ｇが対向したとき、処理室１１は基板Ｇによって封止されるが、基板Ｇを載置するサセプタＢが金属からなるため、該サセプタＢにもマイクロ波が伝送して電磁気的に壁部として機能する。その結果、処理室１１は擬似的な導波管として機能する。
処理室１１が導波管として機能するとき、処理室１１の内部へ向けて発振されたマイクロ波は進行波として当該内部を長手方向に沿って進行するが、一端又は他端の内壁面によって反射されて反射波も長手方向に進行する。処理室１１では一端の内壁面から他端の内壁面までの距離がｍ×λｇ／２に設定されているため、処理室１１の内部では進行波と反射波が重なって波長がλｇ／２の定在波が長手方向に沿って発生するが、アンテナ１４は処理室１１の一端又は他端の内壁面からλｇ／４＋ｐ×λｇ／２（ｐは０を含む正の整数）だけずらされ、且つ一端又は他端の内壁面は固定端であるため、一端の内壁面及び他端の内壁面を節とするシングルモードの定在波が発生する。
加熱処理装置１０では、基板Ｇが各ローラ１２によって搬送される際、処理室１１の内部の定在波が当該基板Ｇのアモルファスシリコン薄膜に吸収され、該アモルファスシリコン薄膜が加熱される。
また、加熱処理装置１０では各処理室１１が長手方向に関してずらして配置される。具体的には、隣接する処理室１１同士がλｇ／（２×ｎ）（ｎは処理室１１の個数）だけ長手方向に関してずらして配置される。なお、本実施の形態では、図１乃至図３に示すように、４つの処理室１１を備えるため、図２における最左側の処理室１１から離れるに従って各処理室１１がλｇ／８、λｇ／４、３λｇ／８だけずらされる。
各処理室１１の内部で発生する定在波の波長はλｇ／２であるため、上述したように各処理室１１をずらすと、長手方向に垂直な方向から各処理室１１が重畳されるように各処理室１１を眺めたとき（図２の白抜き矢印の方向から各処理室１１を眺めたとき）、定在波の１波長分の長さにおいて各処理室１１の定在波が均等にずれる。具体的には、各処理室１１を図２における最左側の処理室１１から順に第１の処理室１１、第２の処理室１１、第３の処理室１１、第４の処理室１１とすると、図４に示すように、第１の処理室１１の定在波の位相（実線）、第２の処理室１１の定在波の位相（破線）、第３の処理室１１の定在波の位相（一点鎖線）、第４の処理室１１の定在波の位相（二点鎖線）が１波長分の位相（３６０°）において均等（９０°ずつ）にずれる。
このとき、図４において各処理室１１の下を手前へ向けて通過する基板Ｇは各開口部１５を介して各定在波に曝され、基板Ｇの各部の加熱量は当該各部が対向する各定在波の各位相における振幅の合計にほぼ比例するが、各定在波は位相が均等にずれているので、基板Ｇの各部に対向する各定在波の各位相における振幅の合計はほぼ均衡し、加熱量を基板Ｇの各部において均一化することができる。
例えば、図４中の基板Ｇの部分ｑでは、第１の処理室１１の定在波及び第３の処理室１１の定在波の振幅が０であり、第２の処理室１１の定在波及び第４の処理室１１の定在波の振幅が最大であるため、部分ｑには定在波の最大振幅の２倍に相当する熱量が付与されるのに対し、図４中の基板Ｇの部分ｒでは、第１の処理室１１の定在波及び第３の処理室１１の定在波の振幅が最大であり、第２の処理室１１の定在波及び第４の処理室１１の定在波の振幅が０であるため、部分ｒにも定在波の最大振幅の２倍に相当する熱量が付与される。
すなわち、本実施の形態に係る加熱処理装置１０によれば、図２の白抜き矢印の方向から各処理室１１を眺めたとき、各処理室１１内で発生する定在波の位相が互いに一致せず、定在波の１波長分の位相において各定在波は位相が均等にずれているので、各定在波によって付与される熱量を基板Ｇの各部において均一化することができ、もって、マイクロ波を用いて基板Ｇへ均一な熱処理を施すことができる。
上述した加熱処理装置１０では、複数の処理室１１を配置して各処理室１１の内部へマイクロ波を導入するので、１つの大きな処理室へマイクロ波を導入する場合に比してマイクロ波の導入効率を向上することができる。
また、上述した加熱処理装置１０では、各処理室１１における定在波のアンテナ１４の直下の振幅が大きくなることが予想されるため、加熱処理装置１０では、図２の白抜き矢印の方向から各処理室１１を眺めたとき、図５に示すように、各アンテナ１４が重畳しないように各マグネトロン１３が長手方向に分散して配置される。これにより、各定在波の振幅の大きい箇所同士が重畳されるのを防止することができ、もって、各定在波による加熱量を基板Ｇの各部において確実に均一化することができる。なお、この場合、各マグネトロン１３は、対応するアンテナ１４を処理室１１の一端又は他端の内壁面からλｇ／４＋ｐ×λｇ／２だけずらしたまま、長手方向にほぼ均等に配置されるのが好ましい。
上述した加熱処理装置１０では、処理室１１の数が４つであったが、処理室１１の数はこれに限られず、少なくとも２つ以上であればよく、この場合、隣接する処理室１１同士がλｇ／（２×ｎ）（ｎは処理室１１の個数）だけ長手方向に関してずらして配置されればよい。例えば、図６に示すように、加熱処理装置１０が３つの処理室１１を備える場合、最左側の処理室１１から離れるに従って各処理室１１がλｇ／６、λｇ／３だけずらされ、各処理室１１の定在波は、長手方向に垂直な方向から各処理室１１が重畳されるように各処理室１１を眺めたとき（図６の白抜き矢印の方向から各処理室１１を眺めたとき）、各処理室１１を図６における最左側の処理室１１から順に第１の処理室１１、第２の処理室１１、第３の処理室１１とすると、図７に示すように、第１の処理室１１の定在波の位相（実線）、第２の処理室１１の定在波の位相（破線）、第３の処理室１１の定在波の位相（一点鎖線）が１波長分の位相（３６０°）において均等（１２０°ずつ）にずれる。この場合も、基板Ｇの各部に対向する各定在波の各位相における振幅の合計はほぼ均衡し、加熱量を基板Ｇの各部において均一化することができる。
ところで、各処理室１１及び基板Ｇの隙間からマイクロ波が漏洩するおそれがあるが、このとき、漏洩したマイクロ波が各処理室１１の外部において互いに干渉して基板Ｇの熱処理に悪影響、例えば、熱処理の不均衡を起こす可能性がある。
そこで、加熱処理装置１０では、各処理室１１のマグネトロン１３がオンとなってマイクロ波を生成するタイミングをずらす。
図８は、各処理室のマグネトロンのマイクロ波の生成タイミングを示すタイミングチャートである。
図８において、一の処理室１１のマグネトロン１３がオンとなってマイクロ波を生成し、当該一の処理室１１の内部へマイクロ波が導入されるとき、他の３つの処理室１１のマグネトロン１３はオフとなってマイクロ波を生成せず、当該他の３つの処理室１１の内部へはマイクロ波が導入されない。その結果、例え、一の処理室１１からマイクロ波が漏洩しても当該マイクロ波と干渉する他のマイクロ波が存在することがなく、もって、漏洩したマイクロ波が各処理室１１の外部において互いに干渉するのを防止することができる。
また、漏洩したマイクロ波の干渉を防止するためには、各処理室１１へ処理室１１及び基板Ｇの隙間からのマイクロ波の漏洩を防止するマイクロ波漏洩防止機構を設けるのが好ましい。
図９は、マイクロ波漏洩防止機構を有する処理室の一実施例の構成を概略的に示す図であり、図９（Ａ）は斜視図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）中の線VIII−VIIIに沿う断面図である。
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）において、処理室１１は開口部１５の両脇にマイクロ波漏洩防止機構としての溝状のチョーク構造１６を有し、各チョーク構造１６は、開口部１５と同様に下方へ向けて開口し、溝の深さがλｇ／４に設定される。処理室１１及び基板Ｇの隙間から漏洩するマイクロ波の進行波はチョーク構造１６の溝に入射されるが、このとき、溝の底部で反射して生じる反射波の位相は進行波の位相と逆位相になるため、進行波の進行方向に関してチョーク構造１６の外側では進行波と反射波が互いに打ち消し合ってマイクロ波が見かけ上進行しなくなる。これにより、各処理室１１及び基板Ｇの隙間からマイクロ波が漏洩するのを防止することができる。
図１０は、マイクロ波漏洩防止機構を有する処理室の他の実施例の構成を概略的に示す斜視図である。
図１０において、処理室１１は、内部空間を上下に仕切る隔壁１９を有し、隔壁１９によって仕切られた内部空間の上部は伝送空間Ｔを構成し、内部空間の下部は処理空間Ｓを構成する。処理室１１のマグネトロン１３のアンテナ１４は処理室１１の端部の内壁面からλｇ／４だけずらして配置され、隔壁１９は処理室１１の長手方向に垂直な方向に配される複数のスロット１７を有し、各スロット１７は処理室１１の端部の内壁面からｓ×λｇ／２（ｓは正の整数）だけずらして配置される。
この処理室１１では、伝送空間ＴにおいてＴＥ１０モードで伝送したマイクロ波が各スロット１７を介して伝送空間Ｔへ輻射されてＴＭ１１モードとなり、開口部１５の近傍の壁部において処理室１１及び基板Ｇの隙間と平行に電流が流れ、該隙間に電界が掛からなくなる。これにより、各処理室１１及び基板Ｇの隙間からマイクロ波が漏洩するのを防止することができる。
図９や図１０の処理室１１のようにマイクロ波を照射すると被処理体である基板Ｇに対して電界を効率的に掛けることができる。すなわち、磁界を使って誘導加熱する場合と異なり、選択的な加熱を実現できるので被処理材料であるアモルファスシリコン薄膜のみを効率的に加熱することができる。
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、図１１に示すように、複数の処理室１１の配列方向に関し、最上流の処理室１１よりも上流へランプヒータ等の加熱デバイス１８（予備加熱装置）を備えてもよい。この場合、基板Ｇのアモルファス薄膜へ各処理室１１によってマイクロ波を吸収させる前に、基板Ｇが予備加熱される。アモルファスシリコンは加熱されると、ドープされている硼素やリンがシリコン分子内に入り込んで分極するため、マイクロ波を吸収し易くなる。その結果、アモルファスシリコン薄膜を効率的に加熱することができる。
なお、上述した実施の形態において、加熱処理装置１０はアモルファスシリコン薄膜へ熱処理を施したが、加熱処理装置１０が熱処理を施す対象物はこれに限られず、マイクロ波を吸収して加熱されるものであれば、加熱処理装置１０によって熱処理を施すことができる。
Ｇ 基板
１０ 加熱処理装置
１１ 処理室
１３ マグネトロン
１４ アンテナ
１５ 開口部
１６ チョーク構造
１７ スロット
１８ 加熱デバイス

Claims (11)

  1. 内部へマイクロ波が導入される複数の管状の処理室を備え、前記複数の処理室は互いに平行に配置され、且つ前記複数の処理室の各々は被処理体に対向する開口部を有し、
    各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたとき、各前記処理室内で発生する定在波の位相が互いに一致しないように、各前記処理室が前記長手方向に関してずらして配置されることを特徴とする加熱処理装置。
  2. 前記複数の処理室をｎ個備える場合、前記マイクロ波の実効波長をλｇとすると、各前記処理室は前記長手方向に関してλｇ／（２×ｎ）ずつずらして配置されることを特徴とする請求項１記載の加熱処理装置。
  3. 各前記処理室は、当該処理室の内部へ前記マイクロ波を発振するアンテナを有し、
    各前記処理室の長手方向に関する一端の内壁から多端の内壁までの長さは、ｍ×λｇ／２（ｍは正の整数）であり、
    各前記処理室において、前記アンテナは前記処理室の長手方向に関する端部の内壁からλｇ／４＋ｐ×λｇ／２（ｐは０を含む正の整数）だけずらして配置されることを特徴とする請求項２記載の加熱処理装置。
  4. 各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたとき、各前記処理室のアンテナは重畳しないように配置される請求項３記載の加熱処理装置。
  5. 各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたとき、各前記処理室のアンテナは前記長手方向に関してほぼ均等に配置されることを特徴とする請求項４記載の加熱処理装置。
  6. 各前記処理室は、前記開口部の脇に溝状のチョーク構造を有し、前記チョーク構造の深さはλｇ／４であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  7. 各前記処理室は、前記開口部の近傍の壁部において当該処理室から前記被処理体へ向けてのマイクロ波の伝送を阻害するように設けられたスロットを有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  8. 各前記処理室によって前記マイクロ波を前記被処理体へ吸収させる前に、前記被処理体を予備加熱する予備加熱装置を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  9. 内部へマイクロ波が導入される複数の管状の処理室を備え、前記複数の処理室は互いに平行に配置され、且つ前記複数の処理室の各々は被処理体に対向する開口部を有する加熱処理装置において実行される加熱処理方法であって、
    各前記処理室の長手方向に垂直な方向から各前記処理室が重畳されるように各前記処理室を眺めたときに重畳して観察される各前記処理室内で発生する定在波の位相を互いにずらすことを特徴とする加熱処理方法。
  10. 一の前記処理室の内部へ前記マイクロ波が導入されるとき、他の前記処理室の内部へは前記マイクロ波が導入されないことを特徴とする請求項９記載の加熱処理方法。
  11. 各前記処理室によって前記マイクロ波を前記被処理体へ吸収させる前に、前記被処理体を予備加熱することを特徴とする請求項９又は１０記載の加熱処理方法。
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