(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス基板上の非晶質シリコン層のレーザアニール時に基板面に生じる脹れ発生を防止する。【解決手段】ガラス基板５０を予熱し、その基板上に非結晶シリコン先駆層を一次温度で堆積させ、熱処理チャンバ５２，５４，５６，５８内において基板を一次温度よりも十分に高い二次温度でアニーリングして先駆層内における水素濃度を実質的に減少させることによってガラス基板５０上に薄膜層を形成できる。予熱するステップと、アニーリングするステップは同じ熱処理チャンバ５２，５４，５６，５８の内部で実施することができる。次いで、先駆層はレーザアニーリングによって多結晶シリコン層に変換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基板の各々に膜を形成する方法であって、前記複数の基板の各々に対し、
加熱チャンバ内で前記基板の１つを高温度まで予熱するステップと、
前記１つの基板を前記加熱チャンバから、前記加熱チャンバとは異なる真空チャンバに搬送するステップと、
前記真空チャンバ内の前記１つの基板上に膜を堆積するステップと、
前記１つの基板を前記真空チャンバから前記加熱チャンバに搬送するステップと、
前記加熱チャンバ内で、高温度で前記１つの基板をアニーリングするステップと、
を備え、
前記加熱チャンバ内部で、前記予熱ステップは、第１の複数の基板に対して実行され、同時に、前記アニールステップが、前記第１の複数の基板とは異なる第２の複数の基板に対して実行される、前記方法。
【請求項２】
前記予熱ステップ中に前記基板に材料が堆積されない、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱チャンバは、堆積チャンバでない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記膜は、アモルファスシリコン層である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記膜は酸化シリコン層である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記予熱ステップの前記温度は、４００℃〜４７０℃の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記予熱ステップの前記温度が４００℃〜４７０℃の範囲であり、前記堆積ステップの前記温度が３８０℃〜４００℃の範囲である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は一般的にはガラス基板を処理する方法、特に、ガラス基板上に堆積させた非結晶シリコン膜のアニーリング方法に関するものである。
【０００２】
従来の技術
薄膜トランジスタはモニタ、平型パネル表示装置、太陽電池等に使用する大きなガラス基板又はプレート上に製作される。該トランジスタは非結晶シリコン（ドーピング処理したものと、真性のものとの双方）、酸化シリコン及び窒化シリコンを含む各種の薄膜を逐次堆積させることによって製作する。これらの薄膜はプラズマ増強型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって堆積させることができる。
【０００３】
ＰＥＣＶＤプロセスでは基板が約２８０〜４００℃の温度に耐えることが必要とされることがある。ＣＶＤ処理はシリコン・ウエーハ内に集積回路を製造する際に広く適用されることが知られている。シリコンは導電材料であり、ウエーハに破断や反りを生じさせることなく、かなり急速に加熱・冷却可能である。しかしながら、ガラスは非常に脆く、急速に冷却、加熱し過ぎると反りや、ひび割れが生じやすい誘電材料である。そのため、熱応力と、その結果生じる損傷を避けるため、大領域のガラス基板の加熱又は冷却速度の調整には十分な注意を払わねばならない。
【０００４】
典型的には、ＰＥＣＶＤプロセスの実施では、基板が加熱チャンバの内部で堆積温度近くまで予熱される。基板が一度、目標温度に達すると、その基板は膜の堆積に備え処理チャンバの内部に搬送される。次いで、基板は冷却チャンバに搬送され、例えば室温まで冷却される。汚染の危険を軽減するため、基板が真空環境から取り出されることなくチャンバ相互間に搬送されるよう、加熱、堆積及び冷却の各チャンバを単一のツールの内部に収容する。このようなツール、例えば参照用に本出願書に援用されている米国特許第４，９５１，６０１号に記載の装置には各種の処理チャンバに接続した中央ロボット機構チャンバを含めてもよい。プロセスの均一性と制御性を改善するため、各処理チャンバに基板一枚のみを保持させてもよい。しかしながら、ガラス基板温度の加熱と冷却に要する時間が長いので（例えば、大領域ガラス基板を４００℃近くまで加熱し、冷却して室温に戻すにはそれぞれ約５分間）、基板への損傷や反りを避けるため、またそれと同時に装置のスループットを改善するため、加熱、冷却の各チャンバには同時に数枚のガラス基板を保持させてもよい。
【０００５】
薄膜トランジスタ製造の一ステップは多結晶シリコン層を形成することである。多結晶シリコン層を形成する一プロセスは、ＣＶＤによって基板上に非結晶シリコン先駆層を堆積することで始まる。堆積ステップに次いで、基板がＣＶＤツールから取り出され、炉に搬送され、例えば約３５０〜４００℃の温度でアニーリングされる。アニーリング温度は堆積温度よりも低い場合がある。その後、非結晶シリコンはレーザアニーリングによって多結晶シリコンに変換可能である。
【０００６】
発明が解決しようとする課題
多結晶シリコンの製造にあたり直面する一つの問題はレーザアニーリングステップ中に基板面に脹れが発生することである。この脹れは基板を使用不能にし、プロセスの歩留りを低下させる。脹れの一つの原因は堆積ステップ中に非結晶シリコン先駆層内に取り込まれていた水素の脱ガスである。先駆層に取り込まれた水素の量を減ずるため、非結晶シリコンの堆積は“高”温、例えば４５０〜４７０℃で行われることができる。しかしながら、残念なことに、このような高温はプロセスチャンバに対しては破壊的温度である。
【発明の概要】
【０００７】
ある態様では、本発明はガラス基板上に多結晶シリコン層を形成する方法を目的とする。該方法では、ガラス基板が予熱され、非結晶シリコン先駆層が基板上に一次温度で堆積される。基板は熱処理チャンバ内で一次温度より十分高い二次温度でアニールされ、先駆層における水素濃度が実質的に減少され、先駆層はレーザアニーリングによって多結晶シリコン層に変換される。
【０００８】
本発明の実装には以下を含める。一次温度は約３８０〜４００℃、二次温度は約４００〜４７０℃とする。アニーリングステップは窒素と、あるいは水素を含む環境内で実施することができる。予熱とアニーリングの各ステップは同じ熱処理チャンバ内で行ってもよい。基板は先駆層を多結晶シリコンに変換する以前に処理温度まで冷却可能である。
【０００９】
別の態様では、本発明はガラス基板上に薄膜を形成する方法を目的とする。該方法では、ガラス基板が熱処理チャンバ内で一次温度まで予熱される。薄膜は該基板上に一次温度より低い二次温度で化学気相堆積法によって堆積される。基板は熱処理チャンバ内で一次温度でアニールされる。
【００１０】
本発明の実装には以下を含める。薄膜は非結晶シリコン層又は酸化シリコン層とする。
【００１１】
発明の利点には以下が含まれる。非結晶シリコン先駆層の水素含有量が減らされ、それ故に、脹れが軽減され、歩留りが増大する。非結晶シリコン先駆層は比較的低い温度で堆積でき、従って、処理チャンバの寿命が拡大される。先駆層のアニーリングはＣＶＤツールで行われてもよく、これにより、スループットが増大され、汚染の危険が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガラス基板処理装置の平面図である。
【図２Ａ】図１に記載の装置からの加熱チャンバの透視図である。
【図２Ｂ】図２Ａに記載の加熱チャンバからの加熱カセットの横断面図である。
【図３Ａ】図１に記載の装置からのロード・ロック／冷却チャンバの透視図である。
【図３Ｂ】図３Ａに記載のロード・ロック／冷却チャンバからの冷却カセットの横断面図である。
【発明の実施の形態】
【００１３】
図１を参照すると、処理装置４０には加熱又は熱処理チャンバ４２と、二つの冷却／ロードロックチャンバ４４と、四つの処理チャンバ５２、５４、５６、５８と、ガラス基板５０を加熱、冷却及び処理チャンバ間で搬送する、中央真空チャンバ４８の内部に配した真空適合ロボット４６とが含まれる。同様の処理装置と、同じような加熱と冷却の各チャンバに付いての記述は、開示内容が参照用に本出願書に援用されている米国特許第５，６０７，００９号と第５，５１２，３２０号に見出すことができよう。処理装置４０は、また、冷却／ロードロックチャンバ４４と基板搬送カセット６４との間に基板を搬送する大気圧ロボット６２を備えたファクトリーオートメーション・ユニット６０を含んでもよい。
【００１４】
図２Ａ、図２Ｂを参照すると、加熱チャンバ４２には加熱カセットから間隔をあけたチャンバ壁７０によって取り囲まれる加熱カセット１０が含まれる。中央真空チャンバ４８に隣接するチャンバ壁の一つにはガラス・プレートのカセット１０の内部と外部への搬送に使用されるスリット・バルブ７２が装着される。加熱チャンバ４２内部の周囲環境には窒素、窒素と水素、例えば窒素が約９５％と水素が約５％、あるいは不活性ガスを含んでもよい。
【００１５】
加熱カセット１０は通常、側壁１２、１４と底部壁１６を備えた矩形型フレームである。リッド１８は加熱カセット１０の最上部に締め付けられる。側壁１２、１４には電気抵抗器加熱コイル２０が装着される。支持シャフト２４の内部を貫通するチャンネル２２（図２Ｂに陰影で示す）は、加熱コイル２０を電源（図示せず）に接続するワイヤを内蔵してもよい。
【００１６】
複数の熱伝導棚２８が側壁１２、１４の間に取り付けられる。棚２８の高速且つ均一な温度制御を確実にするため、棚２８は側壁１２、１４に熱が伝わる形で接触する。棚２８は熱伝導性材料、例えばアルミニウム、銅、ステンレス鋼被覆銅のような金属でできている。カセット１０における棚の数はカセットの所要サイズと、ガラス基板の加熱、搬送及び処理に要する時間の相対的数量によって決まる。
【００１７】
棚２８上に配される、あるいは、これに締め付けられるのは複数の支持体２６で、耐熱ガラス又は石英のような熱非伝導性材料でできている。支持体２６は棚２８と基板５０との間に間隙が存在するよう、処理しようとするガラス基板５０を支持する役目を果たす。この間隙は、ガラス基板が基板５０と棚２８との直接的接触よりはむしろ輻射線とガス誘導とによって、間接的に加熱及び冷却されるのを確実にする。これでガラス基板に応力が加わり、割れが生じる危険が軽減される。更に、ガラス基板５０と棚２８を差し込み配列にすると、ガラス基板５０には両面から加熱と冷却が行われ、基板はより高速且つ均一に加熱・冷却される。
【００１８】
図３Ａ、図３Ｂを参照すると、各冷却／ロードロックチャンバ４４にはチャンバ壁８０によって取り囲まれる冷却カセット３０が含まれる。中央真空チャンバ４８に隣接する側壁８０の一つの内部にはスリット・バルブ８２が形成され、ファクトリーオートメーション・ユニット６０に隣接する側壁の一つの内部にはポート８４が形成される。
【００１９】
冷却カセットは加熱カセット１０に類似する構造であるが、側壁はヘリウムのようなガス又は水のような液体を循環させることのできるチャンネル３２を備える。冷却液を適切なポンプ（図示せず）を介して循環させるため、入り口パイプ３４と出口パイプ３６（図に陰影で示す）をそれぞれ設けてもよい。
【００２０】
図２Ａ、図３Ａを参照すると、本発明の加熱と冷却の各カセットは昇降装置９０に装着されている。ガラス基板５０の各搬送後、異なる棚２８が真空ロボット４６に向けられるよう、昇降装置はカセット１０、３０を上下に移動することができる。これら昇降装置機構は従来型のものであり、詳述する必要はない。昇降装置機構自体は処理装置４０の外部に設けられ、シールを介し処理装置の下部壁に貫通接続することができる。従って、カセット１０、３０は矢印９２の方向に移動し、搬送の間にガラス基板５０は矢印９４の方向に移動する。
【００２１】
図２Ｂ、図３Ｂを参照すると、熱伝導性棚の温度は側壁内部の加熱コイル２０又は冷却チャンネル３２によって調整できる。ガラス基板の加熱速度又は冷却速度は棚材料の輻射率と、ガラス自体の輻射率及びチャンバの真空圧とによって決まる。ガラスの割れが避けられるよう、温度の変化速度を十分低くすることができる。ステファン−ボルツマン（Ｓｔｅｐｈａｎ−Ｂｏｌｔｓｍａｎｎ）方程式で説明される熱伝達は以下の方程式（１）で与えられる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
ここでＥｒは伝達されるエネルギーのＷａｔｔ／ｃｍ2単位での数量であり、Ｔ１は棚の単位°Ｋでの温度であり、Ｔ２はガラスの単位°Ｋでの温度であり、ε１は棚の輻射率であり、ε２はガラスの輻射率であり、σはステファン−ボルツマン定数である。ガス誘導による熱伝達はガス圧に比例し、以下の方程式（２）によって与えられる。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
ここでＥｃはＷａｔｔ／ｃｍ2単位での加熱エネルギー値であり、△は°Ｋ単位での平均伝導率であり、ｄはｃｍ単位での面相互間の間隙であり、βはガス適応係数であり、ｃはミクロン単位でのガスの平均自由行程であり、Ｐはミリトル単位での圧力であり、Ｔ１とＴ２は方程式（１）で上述した意味をもつ。
【００２６】
図１に戻るが、多結晶シリコン層の製造プロセスについて説明する。基板５０は搬送カセット６４に入れてファクトリーオートメーション・ユニット６０にセットされ、大気圧ロボット６２によってポート８４から冷却／ロードロックチャンバ４４の一つに装填される（図３Ａを参照）。総ての棚が満たされると、ポートが閉じ、チャンバ４４は従来の排出ポンプ（図示せず）を介し真空にされる。所要圧力に達すると、中央真空チャンバ４８に隣接する側壁にあるスリット・バルブ７２（図２Ａを参照）が開放され、真空ロボット４６は基板５０を加熱チャンバ４２に搬送できるようになる。二つの冷却／ロードロックチャンバ４４が設備されるため、一つのバッチの基板が処理されているとき第二バッチの基板を装填できる。
【００２７】
ガラス基板は冷却／ロードロックチャンバ４４から加熱チャンバ４２に搬送される。ガラス基板は堆積温度以上の温度まで加熱可能である。ガラス基板が一度加熱されてしまうと、非結晶シリコン先駆層を基板上に堆積させるため真空ロボット４６はその基板を処理チャンバ５２、５４、５６又は５８の内の一つに搬送する。ＰＥＣＤＶプロセスは比較的“低”温で、例えば約３８０〜４００℃で行われることができる
非結晶シリコン堆積プロセスの完了後、アニーリングに備えロボットはガラス基板５０を搬送して加熱チャンバ４２に戻す。特に、基板５０はチャンバ４２の内部で処理温度以上の温度まで加熱する。例えば、基板温度が約４００〜４７０℃、例えば約４２０℃に達することがある。アニーリングステップは窒素、不活性ガス、あるいは、できる限り窒素と水素の混合体、例えば窒素が約９５％と水素が５％の混合体を含む環境内で行う。アニーリングステップは約５分から３０分、例えば約１０分を要することがある。
【００２８】
基板の数が多いことと、アニーリングに要する時間量のため、装置のスループットを改善するには二つ又はそれ以上の加熱チャンバを設備することが望ましいことがある。一つの加熱チャンバを用いて基板の予熱をし、アニーリングには別の加熱チャンバを用いる。あるいは、加熱チャンバには冷却／ロードロックチャンバよりも多くの棚を装備する。更に、ロードロックチャンバの一つは加熱／ロードロックチャンバに変換する。
【００２９】
アニーリングステップが完了すると、基板５０は冷却／ロードロックチャンバ４４の一つに搬送されて処理温度まで冷却される。処理温度はアニーリング温度より低いが、室温以上、例えば約８０〜１５０℃となることがあり得る。冷却／ロードロックチャンバ４４は真空から大気圧に戻され、基板は大気圧ロボット６２によってファクトリーオートメーション・ユニット６０に戻される。最後に、基板は別のツールに搬送されてレーザアニーリングされ、非結晶シリコン層が多結晶シリコン層に変換される。
【００３０】
高温アニーリングステップでは非結晶シリコン先駆層の水素含有量が減らされ、そのため、レーザアニーリングステップの間に脹れの発生が減少し、歩留りが増大する。特に、約３８０〜４００℃でＰＥＣＶＤによって堆積した先駆層の水素含有量はほぼ１０〜１５％（原子百分率）であるが、約４５０〜４７０℃で基板をアニーリングことによって先駆層の水素含有量は約２〜４％、例えば約３％に減少する。堆積温度より高いが、約４５０〜４７０℃より低いアニーリング温度では、対応する水素含有量の減少が少ない。アニーリング温度は水素含有量を約７％以下、例えば約５％以下まで減少させるように選択可能である。
【００３１】
要約すると、バッチ単位数量の大領域ガラス基板を冷却／ロードロックチャンバ内のカセットに搬送し、ガラス基板が処理温度、あるいはそれ以上に加熱される加熱チャンバに該基板を搬送し、“低温度”非結晶シリコン堆積ステップに備え、該基板を一つずつ、一つ又はそれ以上の単一基板処理チャンバに搬送し、“高温度”アニーリングステップに備え、該基板を加熱チャンバに戻し搬送し、最後にロードロックチャンバ内の冷却カセットに該基板を戻し搬送して処理温度まで冷却することが可能である。次いで、基板はレーザアニーリングステップに備え真空装置から外部に搬送できる。アニーリングと堆積の各ステップは大気に曝されることなく同一のツールで行われるため、基板が汚染される危険が軽減される。更に、基板の予熱とアニーリングに同一のチャンバが使用できるため、別個の炉が必要とされることはない。その上、若干数の基板がアニールされている間に他の若干数の基板は予熱ができるため、ツールのスループットが改善される。
基板の予熱とアニーリングの双方に同じチャンバを使用することは、酸化シリコン・ゲート層の製造においても有利になろう。特に、ガラス基板が加熱チャンバ内で予熱され、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）先駆層がＰＥＣＶＤによって堆積され、基板が加熱チャンバに戻してアニールされることが可能である。
【００３２】
本発明は特定の実施例に関し解説してきたが、様々な変更ができる。例えば、本明細書に記載するようなカセット、棚、ガラス基板支持体等に代えて他の各種資材を代用できる。カセット棚は説明したように、間接的よりはむしろ、棚自体に設けた適切なチャンネルを介し直接的に加熱又は冷却できる。本発明のカセットは一つ又はそれ以上のバッチ・タイプＣＶＤチャンバ、あるいは他の処理チャンバに接続できる。一つ以上のバッチ・タイプ加熱及び/又は冷却チャンバは、一つ又はそれ以上の処理チャンバに接続できる。本発明の加熱及び/又は冷却チャンバは一体に接続したり、予備洗浄チャンバ、エッチングチャンバ又は他の物理気相堆積チャンバのような他の処理チャンバに接続できる。従って、本発明は付属する請求項の範囲によって唯一制約されることを意味する。
【符号の説明】
【００３３】
６０：ファクトリーオートメーション・ユニット ６２：大気圧ロボット ６４：基板搬送カセット４０：処理装置 ５０：ガラス基板 ５２、５４、５６、５８：処理チャンバ４２：加熱チャンバ ４４：冷却／ロードロックチャンバ ４６：真空適合ロボット ４８：中央真空チャンバ １０：加熱カセット １２、１４：側壁 １６：底部壁 １８：リッド２０：加熱コイル ２２：チャンネル ２４：支持シャフト ２６：支持体 ２８：棚 ７０：チャンバ壁 ７２：スリット・バルブ ９０：昇降装置
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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