(57)【要約】【課題】  半導体薄膜の結晶化時間を短縮する。【解決手段】  載置台２０の上に、非晶質シリコン薄膜２８が表面に塗布された半導体基板２１を載置する。熱印加部３０は、軸部３２の周囲をローラ部３４が回転可能な構造を有し、支持機構５０により上下動および水平方向の移動が可能である。軸部３２には、熱源用電源４０の電力を利用して発熱する熱源３８が埋め込まれている。熱源３８は、進行方向１００の前方ほど下方に位置している。制御部６０は、熱源用電源４０を制御することにより、熱源３８を８００〜１１００℃の範囲の所定の温度に上昇させるとともに、支持機構５０を制御して、熱印加部３０を所定の高さに保ったまま、ローラ部３４を非晶質シリコン薄膜２８の表面に接触させつつ、熱印加部３０を所定の速度で進行方向１００に移動させる。【選択図】        図１
2006080119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体薄膜を結晶化する装置であって、
前記半導体薄膜を搭載する載置台と、
前記載置台に対して上下動および水平方向の移動が可能な支持機構に固定された軸部と、
前記軸部の軸と垂直方向に熱傾斜が生じるように前記軸部に埋設された熱源と、
回動可能に前記軸部の外周に嵌設されたローラ部と、
前記載置台に搭載された前記半導体薄膜の表面に、前記ローラ部を接触させ、前記ローラ部を回転させながら、前記熱傾斜の高温側を前面にして、前記軸部をその軸と垂直方向に移動させることにより、前記熱源からの熱により前記半導体薄膜を結晶化させることを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
半導体薄膜を結晶化する装置であって、
前記半導体薄膜を搭載する載置台と、
前記載置台に対して上下動可能な支持機構に固定された軸部と、
前記軸部の軸と垂直方向に熱傾斜が生じるように前記軸部に埋設された熱源と、
前記軸部と、前記載置台に搭載された前記半導体薄膜との距離を一定に保ちつつ、前記軸部をその軸と垂直方向に移動させることにより、前記熱源からの熱により前記半導体薄膜を結晶化させることを特徴とする結晶化装置。
【請求項３】
前記熱源が前記軸部の軸方向に所定の間隔でとびとびに埋め込まれ、
前記熱傾斜の高温側を前面にして、前記軸部をその軸と垂直方向に移動させるとともに、前記軸部をその軸方向に揺動させることを特徴とする請求項１または２に記載の結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の結晶化装置および結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスまたは酸化シリコン（SiO2）、窒化シリコン（Si3N4）などの絶縁膜上に塗布された非晶質シリコン薄膜を結晶化して得られるポリシリコン薄膜は、高移動度の薄膜トランジスタの形成に用いられ、低温ポリシリコンＴＦＴ液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ大型基板に適用されている。
【０００３】
従来、非晶質シリコン薄膜を結晶化する技術として、レーザー強度変調によるラテラル（横方向）結晶化法が知られている。
【０００４】
ラテラル結晶化法では、エキシマレーザ光によって非晶質シリコン薄膜が瞬間的に溶融される。この際、ヒートシンクとして働くガラス基板などに熱が流れ、ガラス基板に接する非晶質シリコン薄膜が冷えて、ある閾温度以下になると固化し、結晶化する（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０８−７８３２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低温ポリシリコンＴＦＴ液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどの基板の大型化にともない、大面積の非晶質シリコン薄膜を結晶化する技術が望まれている。
【０００６】
しかしながら、従来のレーザによるラテラル結晶化法では、レーザ照射が１本のレーザ光によって行われるため、非晶質シリコン薄膜の面積が大きくなるにともない、結晶化に多大な時間を要していた。また、レーザによるラテラル結晶化法では、結晶化するために、高価なレーザ装置が用いられているため、ポリシリコン薄膜の製造コストが増大していた。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体薄膜の結晶化時間を短縮する技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の結晶化装置は、半導体薄膜を結晶化する装置であって、半導体薄膜を搭載する載置台と、載置台に対して上下動および水平方向の移動が可能な支持機構に固定された軸部と、軸部の軸と垂直方向に熱傾斜が生じるように軸部に埋設された熱源と、回動可能に軸部の外周に嵌設されたローラ部と、載置台に搭載された半導体薄膜の表面に、ローラ部を接触させ、ローラ部を回転させながら、熱傾斜の高温側を前面にして、軸部をその軸と垂直方向に移動させることにより、熱源からの熱により半導体薄膜を結晶化させることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、軸部の下方の半導体薄膜の温度が軸部の進行方向の前方ほど高温となるため、軸部の移動に伴って、半導体薄膜の溶融したのち、温度の低下に伴って結晶化が進行する。半導体薄膜の結晶化は、軸部の長さに渡って同時に進行させることができるので、半導体薄膜を短時間で結晶化することができる。
【００１０】
半導体薄膜を結晶化する装置であって、半導体薄膜を搭載する載置台と、載置台に対して上下動可能な支持機構に固定された軸部と、軸部の軸と垂直方向に熱傾斜が生じるように軸部に埋設された熱源と、軸部と、載置台に搭載された半導体薄膜との距離を一定に保ちつつ、軸部をその軸と垂直方向に移動させることにより、熱源からの熱により半導体薄膜を結晶化させることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、軸部の下方の半導体薄膜の温度が軸部の進行方向の前方ほど高温となるため、軸部の移動に伴って、半導体薄膜の溶融したのち、温度の低下に伴って結晶化が進行する。半導体薄膜の結晶化は、軸部の長さに渡って同時に進行させることができるので、半導体薄膜を短時間で結晶化することができる。さらに、軸部と半導体薄膜が接触しないため、半導体薄膜に対するダメージを抑制することができる。
【００１２】
上記構成において、熱源が軸部の軸方向に所定の間隔でとびとびに埋め込まれ、熱傾斜の高温側を前面にして、軸部をその軸と垂直方向に移動させるとともに、軸部をその軸方向に揺動させてもよい。
【００１３】
これによれば、熱源の下方に位置する結晶核を基点として、軸部の軸方向における半導体薄膜の結晶化を制御することができる。
【００１４】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体薄膜の結晶化時間が大幅に短縮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る結晶化装置１０の全体構成を示す図である。また、図２は、図１に示した結晶化装置１０のＡ−Ａ線上の断面図を示す。
【００１７】
本実施形態の結晶化装置１０は、載置台２０、熱印加部３０、熱源用電源４０、支持機構５０および制御部６０を備える。
【００１８】
載置台２０は、結晶化の対象となる半導体基板を搭載可能である。本実施形態で例示する半導体基板２１は、ガラス基板２２と、ガラス基板２２の上に設けられた酸化シリコン層２４と、酸化シリコン層２４の上に設けられた非晶質シリコン薄膜２８を備える。
【００１９】
熱印加部３０は、軸部３２およびローラ部３４を有する。本実施形態の軸部３２は、円柱状の形状を有し、円筒状のローラ部３４に挿入されている。
【００２０】
軸部３２には、熱源３８が埋め込まれている。軸部３２は、熱伝導性に優れ、融点が熱源３８の動作温度より高いことが望ましい。
【００２１】
熱源３８は、軸部３２に埋め込まれ、熱源用電源４０から供給される電力により、非晶質シリコン薄膜２８の溶融温度より高い温度を発生する。熱源３８は、たとえば複数本のニクロム線などの抵抗により構成され、軸部３２のどの断面においても、進行方向１００の前方に位置する抵抗ほど、下方に位置するように構成される。これにより、非晶質シリコン薄膜２８の結晶化時に、進行方向１００の前方ほど温度が高温となるような温度分布が形成される。
【００２２】
ローラ部３４は、結晶化の際に、非晶質シリコン薄膜２８と接触しながら軸部３２の周りを回転する。このため、ローラ部３４は、弾性を有することが好ましい。ローラ部３４により、熱源３８の高さを一定に保つことができ、非晶質シリコン薄膜２８に与えられる熱量が各場所で一定になるので、非晶質シリコン薄膜２８を均一に結晶化することができる。ローラ部３４は、融点が熱源３８の動作温度より高い材料で構成される。
【００２３】
支持機構５０は、軸部３２を保持するとともに、モータ、アクチュエータなどの駆動装置を備えることにより、軸部３２を上下および水平方向に移動させることができる。
【００２４】
制御部６０は、熱源用電源４０を制御することにより、熱源３８を８００〜１１００℃の範囲の所定の温度に上昇させるとともに、支持機構５０を制御して、熱印加部３０を所定の高さに保ったまま、ローラ部３４を非晶質シリコン薄膜２８の表面に接触させつつ、熱印加部３０を所定の速度で進行方向１００に移動させる。
【００２５】
図３に示すように、熱源３８が所定温度に上昇した熱印加部３０を非晶質シリコン薄膜２８の表面に接触させながら、進行方向１００に移動させることにより、熱印加部３０の下方において、進行方向１００の前方ほど非晶質シリコン薄膜２８の温度が高温となる。このため、非晶質シリコン薄膜２８は、熱印加部３０の下方の進行方向１００の最前部において溶融した後、熱印加部３０の移動に伴って温度が結晶化温度まで下がることにより結晶化する。すなわち、熱印加部３０の後方の非晶質シリコン薄膜２８に固液界面が生じ、この固液界面が熱印加部３０の移動に伴って進行方向１００に移動する。熱印加部３０の移動を低速にすることにより、固液界面も同様に低速で横方向に移動するため、非晶質シリコン薄膜２８を大粒径の結晶粒からなるポリシリコンに結晶化させることができる。
【００２６】
本実施形態の結晶化装置１０によれば、軸部３２の長さに渡って、同時に非晶質シリコン薄膜２８を結晶化させることができるので、非晶質シリコン薄膜２８の結晶化に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。このため、大基板上の非晶質シリコン薄膜２８を短時間で容易に結晶化させることができる。
【００２７】
また、本実施形態の結晶化装置１０によりポリシリコン薄膜の結晶粒を大粒径にすることにより、ポリシリコン薄膜の移動度が向上し、ガラス基板２２の上にドライバ、インターフェース、コントローラ、ＤＡＣ、センサ、メモリなどの各回路の搭載が可能になり、ディスプレイの小型化、低コスト化を図ることができる。
【００２８】
なお、本実施形態のように、ローラ部３４と非晶質シリコン薄膜２８とを接触させる場合に、ローラ部３４による圧力を調節することにより、非晶質シリコン薄膜２８の上方向への結晶化が抑制され、薄膜が得られやすくなる。
【００２９】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る結晶化装置１０の全体構成を示す図である。実施形態１では、熱源３８が軸部３２に一様に埋め込まれているが、これに代えて、本実施形態では、熱源３８が軸部３２に所定の間隔をおいてとびとびに埋め込まれている。すなわち、熱印加部３０は、斜線を施した領域１１０の熱源３８のみが高温となり、領域１１０の断面において、図２と同様な構成を備える。本実施形態の熱源３８は、たとえば、ニクロム線などの抵抗と、銅線などの導電部材を交互に直列に接続することにより構成される。領域１１０の幅は、たとえば１ｍｍとし、隣接する領域１１０の間隔を、たとえば１ｍｍとすることができる。
【００３０】
本実施形態の制御部６０は、熱源用電源４０を制御することにより、熱源３８を８００〜１１００℃の範囲の所定の温度に上昇させるとともに、支持機構５０を制御して、熱印加部３０を所定の高さに保ったまま、ローラ部３４を非晶質シリコン薄膜２８の表面に接触させつつ、熱印加部３０を所定の速度で進行方向１００に移動させる。さらに、制御部６０は、熱印加部３０を所定の速度で進行方向１００に移動させつつ、熱印加部３０を軸部３２の軸方向に揺動させる。熱印加部３０を揺動させる際の振幅は、たとえば、熱印加部３０の領域１１０の間隔の半分とすることができる。
【００３１】
これによれば、熱印加部３０の領域１１０の下方において非晶質シリコン薄膜２８の結晶化が開始されるので、非晶質シリコン薄膜２８が結晶化する際の結晶核の位置を制御することができる。また、熱印加部３０を軸部３２の軸方向に揺動することにより、領域１１０の下方の軸部３２の軸方向の結晶成長を制御することができる。
【００３２】
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る結晶化装置１０の全体構成を示す図である。また、図６は、図５に示した結晶化装置１０のＢ−Ｂ線上の断面図を示す。
【００３３】
本実施形態の結晶化装置１０は、熱印加部３０がローラ部３４を有しない点で、実施形態１と異なる。また、本実施形態では、制御部６０は、熱源用電源４０を制御することにより、熱源３８を８００〜１１００℃の範囲の所定の温度に上昇させるとともに、支持機構５０を制御して、熱印加部３０と非晶質シリコン薄膜２８との間隔を所定の距離に保ったまま、熱印加部３０を所定の速度で進行方向１００に移動させる。すなわち、本実施形態の結晶化装置１０では、熱印加部３０は非晶質シリコン薄膜２８と接触しない。
【００３４】
熱印加部３０と非晶質シリコン薄膜２８との間隔を所定の距離に保つ手段としては、半導体基板２１の厚さを予め制御部６０に入力し、制御部６０が入力された半導体基板２１の厚さに基づいて、熱印加部３０の高さを制御することができる。
【００３５】
また、熱印加部３０の任意の位置に光学センサを設けることにより、熱印加部３０と非晶質シリコン薄膜２８との距離を計測し、計測された距離を制御部６０に入力し、制御部６０により熱印加部３０の高さをフィードバック制御させてもよい。
【００３６】
本実施形態の結晶化装置１０によれば、熱印加部３０と非晶質シリコン薄膜２８とが接触しないので、非晶質シリコン薄膜２８にダメージを加えることなく、結晶化を行うことができる。
【００３７】
なお、本実施形態の熱印加部３０は、円柱状でなくてもよく、たとえば直方体とすることでもできる。
【００３８】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００３９】
例えば、上述の各実施の形態では、熱源３８の温度を一定に保ち、進行方向１００の前方に位置する抵抗ほど、下方に位置するように構成されているが、図２に示した所望の温度分布を得るために、各熱源３８の高さを一定に保ち、進行方向１００の前方に位置する抵抗ほど温度を高くしてもよい。
【００４０】
また、ローラ部３４の表面に圧力センサを設けてもよい。これによれば、非晶質シリコン薄膜２８と接触するローラ部３４の圧力を所定の値に保つことにより、非晶質シリコン薄膜２８に与えるダメージを抑制することができる。
【００４１】
また、実施形態３の非接触型の半導体装置において、実施形態２のように、熱源３８を軸部３２に所定の間隔をおいてとびとびに埋め込み、制御部６０が、熱源用電源４０を制御することにより、熱源３８を８００〜１１００℃の範囲の所定の温度に上昇させるとともに、支持機構５０を制御して、熱印加部３０と非晶質シリコン薄膜２８との間隔を所定の距離に保ったまま、熱印加部３０を所定の速度で進行方向１００に移動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態１に係る結晶化装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示した結晶化装置のＡ−Ａ線上の断面図を示す図である。
【図３】結晶化中の非晶質シリコン薄膜の温度分布を示す図である。
【図４】実施形態２に係る結晶化装置の全体構成を示す図である。
【図５】実施形態３に係る結晶化装置の全体構成を示す図である。
【図６】図６は、図５に示した結晶化装置のＢ−Ｂ線上の断面図を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  結晶化装置、２０  載置台、３０  熱印加部、４０  熱源用電源、５０  支持機構、６０  制御部。
【図１】
2006080119.tif 000003
【図２】
2006080119.tif 000004
【図３】
2006080119.tif 000005
【図４】
2006080119.tif 000006
【図５】
2006080119.tif 000007
【図６】
2006080119.tif 000008