(57)【要約】【課題】比較的低温で結晶化するため、数十時間の長時間を費やしても、結晶粒径の大きさに限界があった。とりわけ、安価なガラス基材上の半導体層を損傷および変形無く結晶化を実現するためには高温度での熱処理が難しく、結晶粒径を大きくすることが非常に困難であった。【解決手段】基材を装置内部で相対的に低温度帯に保持することが可能な第１の温度機構と、高温度帯に保持することが可能な第２の温度機構と、中温度帯に保持することが可能な第３の温度機構からなる、少なくとも３種の温度帯に保持する機構をこの順に連続して備え、且つ、３種の熱源と基材を相対的に移動する移動機構を備えること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を加熱するヒーターを前記基材の裏面側に備え、かつ前記基材の表面側に冷媒を用いて前記基材の表面を冷却する第１の温度機構と、
大気圧プラズマ、レーザー、フラッシュランプの何れかを用いて前記基材の表面側を加熱する第２の温度機構と、
前記基材の表面側より前記基材を加熱するヒーターを備える第３の温度機構と、
をこの順序で連続して備え、第１〜第３の温度機構を相対的に移動する移動機構を有する、熱処理装置。
【請求項２】
前記第２の温度機構は、５００℃／ｓｅｃ以上の昇温速度を可能とする、請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記基材を一方向に可動させる機構を備える、請求項１記載の熱処理装置。
【請求項４】
基材を６００℃以下、かつ、０℃より高い温度である低温度帯、
９００℃より高く１５００℃よりも低い温度である高温度帯、
前記高温度帯よりも１００℃以上低く、かつ、前記低温度帯よりも高い温度帯である中温度帯、の、少なくとも３種の温度帯で保持し、かつ３種の温度帯を、この順に連続して切り替えて熱処理する、熱処理方法。
【請求項５】
基材上に所望の材料を有しており、その材料が固相結晶化温度を有し、少なくとも昇温時に結晶核を発生する材料である、請求項４記載の熱処理方法。
【請求項６】
基材上に所望の材料を有しており、その材料がシリコンである、請求項４記載の熱処理方法。
【請求項７】
高温度帯は、１４００℃より高く、１５００℃より低い温度である、請求項４記載の熱処理方法。
【請求項８】
前記高温度帯は、大気圧プラズマアニール法、レーザーアニール法、フラッシュランプアニール法の何れかの方法を用いて昇温する、請求項４記載の熱処理方法。
【請求項９】
低温度帯から高温度帯への切り替えを、５００℃／ｓｅｃ以上の昇温速度で処理する、請求項４記載の熱処理方法。
【請求項１０】
低温度帯から高温度帯への切り替え、又は高温度帯から中温度帯への切り替えは、複数のアニール法を連続的に組み合わせて、又は、同一のアニール法で複数のヘッドを組み合わせ熱処理をする、請求項４記載の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶および太陽電池などの分野で、基材上にＣＶＤ法等の技術を用いて堆積した薄膜に対して、レーザーやＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）を用いて、基材に熱ダメージを与えることなく、高速かつ高温に薄膜を加熱する技術が発展してきている。その主な目的は、薄膜を結晶相などに相転移させることにより、半導体中に含まれるキャリアの移動度や寿命（ライフタイム）などを向上させ、商品の特性を向上させることであり、加えて、短時間処理という高い生産性も維持することにある。
【０００３】
例えば、太陽電池分野の場合、製造原価の約３０％を占める、シリコンの材料費を低減すべく、シリコン基板の厚さをできる限り薄くすることを目的として、薄膜太陽電池に関する発明が為されている。
【０００４】
そのような薄膜太陽電池の中で、ＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等の薄膜工法を用いてシリコンを中心とした成膜層を順次積層し、所望の半導体層を形成した薄膜太陽電池は、各々の膜厚を数ｎｍ乃至数十μｍと非常に薄く形成できることが一般に知られている（非特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、とりわけシリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、等を用いた薄膜太陽電池においては、薄膜工法による技術的な困難性から、低コストで単結晶層、或いは、多結晶層を形成することが困難である。これは一般的に、アモルファス相或いは粒径約１０ｎｍ程度の非常に小さい結晶粒からなる微結晶相が形成されるため、キャリアが膜中を移動できるキャリア拡散長が非常に小さいためである。
【０００６】
そのような背景の下、近年、薄膜工法によるシリコンのアモルファス膜を堆積した後、ＳＰＣ法（固相結晶化）と呼ばれる、６００℃程度の低温で十乃至数十時間の比較的長時間の熱処理を行い、結晶粒径をΦ２５００ｎｍレベルまで拡大させたシリコン結晶層を形成する技術が注目されている。この技術により、キャリア拡散長を改善し、比較的高い発電効率を実現することが知られる（非特許文献２参照）。
【０００７】
一方、ＬＣＤやＯＬＥＤに代表されるディスプレイ用途としても、上記太陽電池用途と概ね同じ目的で、シリコンの薄膜を採用しつつ低コストで結晶化する技術が発展してきている。その一例を従来例として、特許文献１に示されている内容を以下に示す。
【０００８】
ガラス基材上に形成した半導体層（αＳｉ層）を結晶化、或いは、ドーパントの活性化をするために、半導体層を堆積した後、特許文献１（図１）に開示される熱処理装置（複数の加熱炉と冷却炉を連結させた構成）により比較的緩やかな昇温と降温を制御する方法（ＳＰＣ法）により、５００℃乃至８５０℃程度の比較的低い温度で、同文献（図１６）に開示される、比較的緩やかな昇温と降温を組み合わせた熱プロファイルを実現する。このようなプロセスにより、急激な温度変化と局部的温度差を抑制でき、ガラス基材表面の半導体層の変形および損傷を避けつつ熱処理する技術が提案されている。
【０００９】
本発明者らも、特許文献１および非特許文献２を参照し、同様の熱処理装置および方法を用いたＳＰＣ法によって、基材および半導体層の損傷および変形を低減しつつ、ガラス基材上に堆積したシリコン薄膜が結晶化することを確認している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４７９６０５６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】小長井誠、薄膜太陽電池の基礎と応用  オーム社
【非特許文献２】Ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｎｅｗ  Ｓｏｕｔｈ  Ｗａｌｅｓ，Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  Ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ，Ａｎｎｕａｌ  ｒｅｐｏｒｔ（２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来例の熱処理装置および方法では、５００℃乃至８５０℃の比較的低温で結晶化するため、３０時間程度の長時間を費やしても、結晶粒径の大きさがΦ２５００ｎｍ程度に留まっていた。とりわけ、安価なガラス基材上の半導体層を損傷および変形無く結晶化を実現するためには高温度での熱処理が難しく、結晶粒径を大きくすることが非常に困難であるという課題があった。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、主として太陽電池、ディスプレイおよび半導体の特性を改善するためのキャリア拡散長の向上に繋がる、シリコン膜の平均結晶粒径を従来よりも数倍に大きくできる、熱処理装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明で開示する手段は、基材を装置内部で相対的に低温度帯に保持することが可能な第１の温度機構と、高温度帯に保持することが可能な第２の温度機構と、中温度帯に保持することが可能な第３の温度機構からなる、少なくとも３種の温度帯に保持する機構をこの順に連続して備え、且つ、３種の熱源と基材を相対的に移動する移動機構を備える構成とする。
【００１５】
また、低温度帯に保持することが可能な第１の温度機構は、基材を加熱するヒーターを基材の裏面側に備え、かつ基材の表面側に冷媒を用いて相対的に冷却する機構を備えることが好ましい。
【００１６】
また、高温度帯に保持することが可能な第２の温度機構は、熱源として、大気圧プラズマ、レーザー、フラッシュランプを用いて基材の表面側を高速に加熱する機構を備えることが好ましい。
【００１７】
また、高温度帯に保持する機構は、５００℃／ｓｅｃ以上の昇温速度が可能であることが好ましい。
【００１８】
また、中温度帯に保持することが可能な第３の温度機構は、少なくとも基材の裏面側或いは表面側より基材を加熱することが可能なヒーターを備える、又は、熱源として、大気圧プラズマ、レーザー、フラッシュランプを用いて、基材の表面側を高速に、かつ高温度帯よりも小さい熱量で加熱する機構を備えることが好ましい。
【００１９】
また、低温度帯とは、基材上の所望の材料が結晶核を発生する温度より低いことが好ましい。
【００２０】
また、低温度帯とは、６００℃より低く、０℃より高い温度であることが好ましい。
【００２１】
また、高温度帯とは、基材上の所望の材料が固相のまま結晶化を開始する温度、或いは溶融を開始する温度以上であることが好ましい。
【００２２】
また、高温度帯とは、その到達温度が９００℃より大きく、１５００℃より小さいことが好ましい。
【００２３】
また、中温度帯とは、高温度帯よりも１００℃以上低い温度で、かつ低温度帯よりも高い温度であることが好ましい。
【００２４】
更に、基材を少なくとも一方向に可動させる機構を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明で開示する手段によれば、主として太陽電池、ディスプレイおよび半導体の特性を改善するためのキャリア拡散長の向上に繋がる、シリコン膜の平均結晶粒径を従来よりも数倍に大きくできる、熱処理装置および方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１における熱処理装置の構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態１における熱処理方法の基材表面における温度プロファイルを示す模式図
【図３】本発明の実施の形態２における熱処理装置の構成を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２における熱処理方法の基材表面における温度プロファイルを示す模式図
【図５】本発明の実施の形態３における熱処理装置の構成を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態４における熱処理装置の構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
（実施の形態１）
図１および図２は、本実施の形態１に係る熱処理装置および方法の模式図である。
【００２９】
（熱処理装置および方法の構成）
本実施の形態における熱処理装置および方法は、図１に示すように、基材を加熱することが可能な下部ヒーターユニット２０１ａと、Ｘ方向に移動が可能な搬送ユニット２０２と、搬送ユニット２０２に連結させた、冷却ユニットとしてのガス噴出ユニット２０３と、急速加熱ユニットとしての大気圧プラズマユニット２０４ａと、予備加熱ユニットとしての上部ヒーターユニット２０５と、から構成される。
【００３０】
本発明の処理装置は、上部ヒーターユニット２０５をＸ方向に沿って、順に配置しており、数種の温度帯で熱処理しつつも、搬送ユニットにより、各々の温度帯を連続して速やかに切り替えることを可能としている。
【００３１】
また、搬送ユニット２０２を−Ｘ方向に移動させることで、ガス噴出ユニット２０３、大気圧プラズマユニット２０４ａ、および上部ヒーターユニット２０５の各々は、基材２０６を間に介して下部ヒーターユニット２０１ａ対向する位置に移動可能な構成としている。
【００３２】
以下に、この熱処理装置を用いて実施した熱処理方法の一例を、図２に示す基材と２０６表面の熱プロファイルの模式図を用いて示す。
【００３３】
まず、ガラス２０６ａの表面側にアモルファス相から成るアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを成膜した基材２０６を、概ね６００乃至８００℃に加熱した下部ヒーターユニット２０１ａ上に載置し、同時にガス噴出ユニット２０３にて基材２０６の表面側に窒素ガスを噴きつけることで、概ね５８０℃の比較的低温度Ｔ０に保持させた。
【００３４】
次に、搬送ユニット２０２により各々のユニットを−Ｘ方向に、概ね１０乃至５０００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させる。これにより、大気圧プラズマユニット２０４ａより噴出させた高温プラズマ２０４ｂによって、基材２０６の表面を、概ね０．２乃至１０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ０〜Ｓ１）に、概ね１０５０℃まで極めて急速に昇温させる。その到達温度で概ね０．２乃至１００ｍｓｅｃの間（Ｓ１〜Ｓ２）で保持させることで、比較的高温度Ｔ２の熱処理を施した。
【００３５】
更に、搬送ユニット２０２により各々のユニットを引き続き、移動させ、大気圧プラズマユニット２０４ａに隣接して配置させた上部ヒーターユニット２０５により、概ね０．１乃至１０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ２〜Ｓ３）に基材２０６の表面を到達温度より概ね２５０℃低い比較的中温度Ｔ１とした。そして、中温度Ｔ１で概ね０．１乃至５ｓｅｃの間（Ｓ３〜Ｓ４）保持することで、低温度Ｔ０、高温度Ｔ２、中温度Ｔ１の順に基材２０６の表面、すなわちアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを熱処理した。
【００３６】
以上のような、熱処理装置および方法にて、結晶化させた（アモルファス相から結晶相に相転移させた）アモルファスシリコン薄膜２０６ｂをＴＥＭ観察等を通じて解析した結果、従来例よりも平均で約６．０倍大きい粒径（１５μｍレベル）の結晶化を確認できた。また、基材として用いたガラスおよびシリコン膜に、膜剥がれや割れ等の損傷が無いことも確認できた。
【００３７】
（実施の形態２）
図３および図４は、本発明実施の形態２に係る、熱処理装置および方法の模式図である。以下、実施の形態１と異なる点を中心にして述べる。
【００３８】
（熱処理装置および方法の構成）
本実施の形態における熱処理装置および方法は、図３に示すように、予備加熱ユニットとしての上部ヒーターユニット２０５の代わりに、Ｘ方向に沿って、予備加熱ユニットとしての大気圧プラズマユニット２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅを順に配置した熱処理装置としている。
【００３９】
この熱処理装置を用いて実施した熱処理方法の一例を、図４に示した基材２０６表面の熱プロファイルの模式図を用いて、以下に示す。
【００４０】
まず、ガラス２０６ａの表面側にアモルファス相から成るアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを成膜した基材２０６を、概ね６００乃至８００℃に加熱した下部ヒーターユニット２０１ａ上に載置する。同時にガス噴出ユニット２０３にて基材２０６の表面側に窒素ガスを噴きつけることで、概ね５８０℃の比較的低温度Ｔ０に保持させた。
【００４１】
次に、搬送ユニット２０２により各々のユニットを−Ｘ方向に、概ね１０乃至５０００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させることで、大気圧プラズマユニット２０４ａより噴出させた高温プラズマ２０４ｂにより、基材２０６の表面を、概ね０．２乃至１０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ０〜Ｓ１）に、概ね１０５０℃まで極めて急速に昇温した。その到達温度で概ね０．２乃至１００ｍｓｅｃの間（Ｓ１〜Ｓ２）保持することで、比較的高温度Ｔ２の熱処理を施した。
【００４２】
更に、搬送ユニット２０２により各々のユニットを引き続き移動させ、大気圧プラズマユニット２０４ａに隣接して配置させた大気圧プラズマユニット２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅより、高温プラズマ２０４ｆ、２０４ｇ、２０４ｈを噴出させ、概ね０．６乃至３０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ２〜Ｓ３）で基材２０６の表面温度を徐々に下げ、高温度Ｔ２よりも概ね１００乃至２５０℃低い比較的中温度Ｔ１にし、その後、自然冷却させた。
【００４３】
すなわち、実施の形態１と同様に、低温度Ｔ０、高温度Ｔ２、中温度Ｔ１の順に基材２０６の表面、すなわちアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを熱処理した。
【００４４】
なおこの時、大気圧プラズマユニット２０４ａに投入する電力よりも、大気圧プラズマユニット２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅに投入する電力を小さくしている。具体的には、大気圧プラズマユニット２０４ａに投入する電力を１．０とした場合、大気圧プラズマユニット２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅはそれぞれ０．９、０．８および０．７として、高温プラズマ２０４ｂより温度の低い、高温プラズマ２０４ｆ、２０４ｇ、２０４ｈを噴出させた。
【００４５】
以上のような、熱処理装置および方法にて、結晶化させた（アモルファス相から結晶相に相転移させた）シリコン薄膜を、ＴＥＭ観察等を通じて解析した結果、実施の形態１に比べて粒度バラつきは大きいものの、従来例よりも平均で約８．０倍大きい粒径（２０μｍレベル）の結晶化を確認できた。
【００４６】
また、基材として用いたガラスおよびシリコン膜に、膜剥がれや割れ等の損傷が無いことも確認できた。
【００４７】
（実施の形態３）
図２および図５は、本発明実施の形態３に係る、熱処理装置および方法の模式図である。以下、実施の形態１と異なる点を中心にして述べる。
【００４８】
（熱処理装置および方法の構成）
本実施の形態における熱処理装置および方法は、図５に示すように、Ｘ方向に移動可能な搬送ユニット２０２の代わりに、＋Ｘ方向に基材２０６を移動可能な、セラミック製の搬送ローラー２０７を配置した熱処理装置としている。
【００４９】
この熱処理装置を用いて実施の形態１と同様の熱処理方法を実施し、図２に示したのと同等の熱プロファイルを、基材２０６表面に実施した。
【００５０】
まず、ガラス２０６ａの表面側にアモルファス相から成るアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを成膜した基材２０６を、概ね６００乃至８００℃に加熱した下部ヒーターユニット２０１ａ上に載置する。同時にガス噴出ユニット２０３にて基材２０６の表面側に窒素ガスを噴きつけることで、概ね５８０℃以下の比較的低温度Ｔ０に保持させた。
【００５１】
次に、実施の形態１と同様に、大気圧プラズマユニット２０４ａより噴出させた高温プラズマ２０４ｂにより、基材２０６の表面を、概ね１．０乃至１０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ０〜Ｓ１）に、概ね１０５０℃まで極めて急速に昇温した。その到達温度で概ね０．２乃至１００ｍｓｅｃの間（Ｓ１〜Ｓ２）保持することで、比較的高温度Ｔ２の熱処理を施した。
【００５２】
更に、実施の形態１と同様に、大気圧プラズマユニット２０４ａに隣接して配置させた上部ヒーターユニット２０５により、概ね０．１乃至１０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ２〜Ｓ３）に基材２０６の表面を到達温度より概ね２５０乃至３００℃低い比較的中温度Ｔ１とした。そして、中温度Ｔ１で概ね０．１乃至５ｓｅｃの間（Ｓ３〜Ｓ４）で保持させることにより、低温度Ｔ０、高温度Ｔ２、中温度Ｔ１の順に基材２０６の表面、すなわちアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを熱処理した。
【００５３】
熱処理方法で実施の形態１と異なる点は、搬送ローラー２０７により基材２０６を＋Ｘ方向に、概ね１０乃至１０００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させたことである。
【００５４】
以上のような、熱処理装置および方法にて、結晶化させた（アモルファス相から結晶相に相転移させた）シリコン薄膜を、ＴＥＭ観察等を通じて解析した結果、実施の形態１に比べて粒度バラつきは大きいものの、従来例よりも平均で約５．０倍大きい粒径（１２．５μｍレベル）の結晶化を確認できた。
【００５５】
また、基材として用いたガラスおよびシリコン膜に、膜剥がれや割れ等の損傷が無いことも確認できた。
【００５６】
（実施の形態４）
図６および図２は、本発明実施の形態４に係る、熱処理装置および方法の模式図である。以下、実施の形態１と異なる点を中心にして述べる。
【００５７】
（熱処理装置および方法の構成）
本実施の形態における熱処理装置および方法は、図６に示すように、急速加熱ユニットとしての大気圧プラズマユニット２０４ａの代わりに、波長５３０ｎｍのグリーンレーザーを用いたレーザーユニット２０８ａを配置した熱処理装置としている。
【００５８】
この熱処理装置を用いて実施の形態１と同様の熱処理方法を実施し、図２に示したのと同等の熱プロファイルを、基材２０６表面に実施した。
【００５９】
まず、ガラス２０６ａの表面側にアモルファス相から成るアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを成膜した基材２０６を、概ね６００乃至８００℃に加熱した下部ヒーターユニット２０１ａ上に載置する。同時にガス噴出ユニット２０３にて基材２０６の表面側に窒素ガスを噴きつけることで、５８０以下の比較的低温度Ｔ０に保持させた。
【００６０】
次に、熱処理方法で実施の形態１と異なる点は、レーザーユニット２０８ａより発射させたレーザー２０８ｂにより、基材２０６の表面を、概ね０．１乃至５００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ０〜Ｓ１）に、概ね１３００℃まで極めて急速に昇温した。その到達温度で概ね０．１乃至５００ｍｓｅｃの間（Ｓ１〜Ｓ２）保持することで、比較的高温度Ｔ２の熱処理を施した。
【００６１】
更に、実施の形態１と同様に、レーザーユニット２０８ａに隣接して配置させた上部ヒーターユニット２０５により、概ね０．１乃至１０００ｍｓｅｃの短時間（Ｓ２〜Ｓ３）に基材２０６の表面を到達温度より概ね５００℃低い比較的中温度Ｔ１とした。そして、中温度Ｔ１で概ね０．１乃至５ｓｅｃの間（Ｓ３〜Ｓ４）保持することで、低温度Ｔ０、高温度Ｔ２、中温度Ｔ１の順に基材２０６の表面、すなわちアモルファスシリコン薄膜２０６ｂを熱処理した。
【００６２】
以上のような、熱処理装置および方法にて、結晶化させた（アモルファス相から結晶相に相転移させた）シリコン薄膜を、ＴＥＭ観察等を通じて解析した結果、実施の形態１に比べて結晶化できた面積は小さいものの、従来例よりも平均で約４．５倍大きい粒径（１１．２５μｍレベル）の結晶化を確認できた。
【００６３】
また、基材として用いたガラスおよびシリコン膜に、膜剥がれや割れ等の損傷が無いことも確認できた。
【００６４】
以上のように、本実施の形態が従来例よりも結晶粒径が大きくできた理由について、推測を以下に述べる。
【００６５】
従来例のように、アモルファスシリコン膜は、概ね６２５℃前後で数秒乃至数分の熱処理を施すと、膜全体に均一にΦ１０ｎｍ程度の微結晶粒を形成する。そのため、この物性を利用したＳＰＣ法により、更に数乃至数十時間単位の熱処理を継続することで、最大Φ２．５μｍレベルの結晶粒を形成できる。しかしながら、これ以上の時間をかけて熱処理を施してもほとんど結晶粒が大きくならない。
【００６６】
これは、熱処理の初期段階でΦ１０ｎｍ以下という非常に微細な結晶粒を高密度に生成させてしまうと、粒界面積を著しく増大させ、かつ各々の粒子をランダムに配向させることにもなる。その結果、粒成長（粒径の拡大）に莫大な熱エネルギーが必要となり、ある一定の大きさ以上の粒成長が困難になると推測する。
【００６７】
これに比べて本実施の形態では、従来例に比べて大きく３つの特長があると考える。この特長を、所望とする材料の一例として、本発明の形態で用いたガラス上のシリコン膜を例として以下に示す。
【００６８】
１つ目の特長は、シリコン膜の相変態温度以上に急速にシリコン膜を加熱させることである。その実現のために本発明の実施の形態では、到達温度を補助するねらいでシリコン膜に予備加熱を与えつつ、予備加熱の温度をシリコン膜の核発生開始温度である６２５℃前後よりも低い温度に抑える構成とした。更に、低温度帯から連続してシリコン膜をｍｓｅｃオーダーで急速に加熱する構成とすることで実現した。
【００６９】
この構成の熱処理装置および方法により、シリコン膜をアモルファス相の状態のまま、６２５℃前後の温度帯を一瞬で通過しつつ、アモルファス相から結晶相への相変態開始温度である９００℃前後以上に急速に昇温することができた。その結果、シリコン膜の特徴である昇温時の核発生の発生頻度を極力抑えることができたと推測する。
【００７０】
２つ目の特長は、基材を下部ヒーターにより常に加熱するなどの熱処理装置構成および方法とした点である。シリコン膜を高温度帯に到達させる大気圧プラズマユニットや、レーザーユニット等が過ぎ去った後、即座に、高温度帯よりも１００℃乃至５００℃程度低い中温度帯に保持した。結果として、シリコン膜の過冷却度を比較的小さく抑えることができ、降温時の核発生の発生頻度も極力抑えることができたと推測する。
【００７１】
本特長により、昇温時かつ降温時の双方において、シリコン膜の結晶核発生の発生頻度を小さく抑えることができ、従来例よりも大きな結晶粒径を実現することが可能になったと考える。
【００７２】
最後に３つ目の特長は、高温度帯に大気圧プラズマ、レーザーおよびフラッシュランプアニールのような超急速加熱技術を用いた点である。この技術により、ガラス内部への熱拡散長を数十μｍレベルに抑えることができ、反りや割れ等の損傷なくガラスを使用することを可能とした。この結果、本発明を太陽電池、ディスプレイおよび半導体分野で利用することが容易とした。
【００７３】
上記の理由により、シリコン膜以外を対象とする場合は、その膜固有の微結晶化温度もしくは核生成温度以下を低温度帯とすれば良い。
【００７４】
なお、本実施の形態のように、アモルファスシリコン膜を対象とする場合、低温度帯は６００℃より低く、０℃より高い温度であることが好ましい。これは、シリコンの結晶核が発生する温度（一般に微結晶化温度と呼ばれている）が概ね６２５℃前後であり、結晶核の発生を抑制するためには、６００℃より低い温度が好ましい。逆に、また０℃より低いと空気中の水分が膜表面に結露しやすくなるなどして、所望の効果にバラつきが生じやすくなり好ましくない。
【００７５】
更に、低温度帯は５００℃より高い温度であると、高温度帯の処理後、迅速に中温度帯に維持することを容易にできるため、なお好ましい。
【００７６】
なお、本実施の形態のように、アモルファスシリコン膜を対象とする場合、高温度帯は到達温度が９００℃より大きく、１５００℃より小さいことが好ましい。これは、シリコンのアモルファス相から結晶相への相変態開始温度が９００℃前後であること、又はシリコン溶融温度が１４１４℃前後であることから、これらいずれかの温度帯まで昇温することで、結晶粒径の大きい結晶相を得やすくなるからである。
【００７７】
なお、本実施の形態のように、ガラス上のアモルファスシリコン膜を対象とする場合、中温度帯は、高温度帯よりも１００℃以上低く、かつ低温度帯よりも高い温度であることが好ましい。
【００７８】
これは、高温度帯より低い温度帯に保持することで結晶核を発生させることができるため、概ね高温度帯よりも１００℃以下に保持することが好ましい。一方で発生する結晶核の核発生頻度を比較的小さく抑えるためには過冷却度を小さくする手段が有効である、或いは、シリコンの拡散速度を十分にし、結晶粒の粒成長速度を大きくするためには概ね低温度帯よりも高い温度に保持することが良い。
【００７９】
更に好ましくは、反りおよび割れ等のガラスの損傷を避けるために、中温度帯は、８００℃以下であることが好ましい。
【００８０】
なお、本実施の形態においては、冷却ユニットとしてガス噴出ユニットを用いた場合を例示したが、水などの液体状の冷媒を噴出できるユニットを代わりに用いても、低温度帯に加熱することが可能となる。
【００８１】
なお、本実施の形態においては、急速加熱ユニットとして大気圧プラズマユニットおよびレーザーユニットを用いた場合を例示したが、急速に高温まで昇温することが可能であれば、他の加熱手段を用いても良い。例えば、フラッシュランプアニールユニットなどを代わりに用いても、基材との位置関係に同期させて加熱すれば、基材表面を急速に加熱することが可能となる。
【００８２】
なお、本実施の形態においては、中温度帯の熱処理手段として、下部および上部ヒーターを用いた場合、又は、下部および出力を抑えた複数の大気圧プラズマユニットを用いた場合を例示したが、他の加熱手段を用いても良い。例えば、大気圧プラズマユニットの代わりに、複数のレーザーユニットおよびフラッシュランプアニールユニットなどを用いても、基材表面を迅速に中温度帯に加熱することが可能となる。
【００８３】
なお、本実施の形態においては、基材として、ガラス上のシリコン膜に関してのみ例示したが、ガラスとシリコン膜の間にガラスよりも熱伝導の高い材料を挟み、シリコン膜／高熱伝導膜／ガラスによる積層構成とした場合でも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の熱処理装置および熱処理方法によれば、シリコン膜の平均結晶粒径を従来よりも４．５倍以上に大きくすることができ、キャリア拡散長の向上が可能となり、主として太陽電池、ディスプレイおよび半導体の特性を改善させることができる。
【符号の説明】
【００８５】
２０１ａ  下部ヒーターユニット
２０２    搬送ユニット
２０３    ガス噴出ユニット
２０４ａ，２０４ｃ  大気圧プラズマユニット
２０４ｂ，２０４ｆ  高温プラズマ
２０５    上部ヒーターユニット
２０６ａ  ガラス
２０６ｂ  アモルファスシリコン薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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