(57)【要約】【課題】ＬＣＤなどの平板ディスプレーに使用されるＴＦＴのための多結晶シリコン薄膜を製造する際に、熱処理後の基板の冷却速度を速め、平板ディスプレーの生産性を向上させることができる非晶質シリコン結晶化システムを提供する。【解決手段】本発明に係る熱処理システム１０は、基板３７を熱処理する基板熱処理部２０と、基板熱処理部２０の最大冷却速度より速い速度で基板３７を冷却する基板冷却部３０と、基板３７を格納する基板格納部４０とを含むことを特徴とする。特に、本発明によれば、別の基板冷却部を備えることによって、結晶化熱処理後の基板冷却速度を速めることができ、平板ディスプレーの生産性を大きく向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコンを製造するために、表面に非晶質シリコンが形成されている基板を熱処理して前記非晶質シリコンを結晶化する熱処理システムであって、
前記基板を格納する基板格納部と、
前記基板を熱処理する基板熱処理部と、
前記基板を、前記基板熱処理部の最大冷却速度より速い速度で冷却する基板冷却部とを備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板は、ガラス、石英のような透明基板であることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板は二つ以上であることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板は、基板支持用の基板ホルダー上に装着された状態で前記基板熱処理部にロード又は前記基板熱処理部からアンロードされることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板熱処理部での熱処理温度は４００℃乃至７５０℃であり、
熱処理時間は、５分乃至１０時間であり、
熱処理雰囲気は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｎ２などの不活性ガス雰囲気、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、オゾンなどの酸化性ガス雰囲気、及び、Ｈ２、ＮＨ３などの還元性ガス雰囲気の内の少なくとも１つで制御されることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板冷却部は、基板支持用の基板ホルダーを支持する基板トレイを備え、
前記基板トレイには、前記基板ホルダーに形成されているホールを貫通して前記基板を支持するピンが設けられていることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板冷却部は、ベースフレームを含み、
前記ベースフレームは、その内部に冷却水が流れるように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の熱処理システムであって、
前記基板冷却部は、冷却ファンユニットを備えることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項６に記載の熱処理システムであって、
前記基板冷却部では、前記基板は、前記基板支持用の基板ホルダーと離間した状態で冷却されることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項８に記載の熱処理システムであって、
前記冷却ファンユニットは、空気中に含まれる粒子を除去する機能を有するフィルターを含むことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板ディスプレーの駆動素子である薄膜トランジスター（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）を製造する際に適用される非晶質シリコン薄膜を結晶化するための熱処理システムに関するものである。より詳細には、本発明は、熱処理後の基板の冷却速度を速め、平板ディスプレーの生産性を向上させることができる、非晶質シリコン薄膜を結晶化するための熱処理システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと多結晶シリコンＴＦＴとに大きく区分される。ＴＦＴの特性は、電子移動度の値で評価される。非晶質シリコンＴＦＴの電子移動度は約１ｃｍ２／Ｖｓであり、多結晶シリコンＴＦＴの電子移動度は約１００ｃｍ２／Ｖｓ程度であるので、高性能の平板ディスプレーを製造するためには、多結晶シリコンＴＦＴを採用することが好ましい。多結晶シリコンＴＦＴは、ガラス又は石英などの透明基板に非晶質シリコンを蒸着して多結晶化させた後に、ゲート酸化膜及びゲート電極を形成し、ソース及びドレーンにドーパントを注入し、絶縁層を形成することで製造される。
【０００３】
多結晶シリコンＴＦＴの製造時の重要な工程は、非晶質シリコン薄膜を多結晶化させる工程である。特に結晶化温度を下げることが好ましい。結晶化温度が非常に高いと、ＴＦＴ製造に鎔融点の低いガラス基板を使用することができなくなり、ＴＦＴ製造のコストが大きくなる問題が生じる。このようなガラス基板の使用の可能性を考慮して、近年、低温ですばやく多結晶シリコン薄膜を形成することのできる、次のような様々な工程が提案されてきた。
【０００４】
このうち、金属誘起結晶化法（Metal Induced Crystallization：ＭＩＣ）又は金属誘起横方向結晶化法（Metal Induced Lateral Crystallization：ＭＩＬＣ）は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属触媒を用いて非晶質シリコンの結晶化を誘起する方法であり、低温で結晶化ができるという利点を有するので、ＬＣＤの製造などに多く使用されている。
【０００５】
ＭＩＣ法又はＭＩＬＣ法は、金属触媒を塗布する工程と、金属触媒を塗布した非晶質シリコンを結晶化熱処理する工程とに大きく分けられる。この２種類の工程の間には、工程時間に関して差があり、一般的には熱処理工程の所要時間の方がより大きい。特に、ＭＩＣ法又はＭＩＬＣ法は金属汚染による漏洩電流の問題点を基本的に有しており、金属触媒の塗布量をできるだけ小さくする必要がある。そのため、この工程時間は、より一層短くなる。このような二つの工程における工程時間の差は、生産性の観点からみて、好ましくない結果をもたらす。すなわち、結晶化熱処理工程の所要時間が長いことにより、ＬＣＤ製造に所要される全体的な時間が増加するので、処理量（throughput）が低下するという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のような従来技術の問題点を解決するためになされた本発明は、結晶化熱処理後の基板の冷却速度を速め、平板ディスプレーの生産性を向上させることのできる、非晶質シリコン薄膜の結晶化のための熱処理システム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】
【０００７】
前述した目的を達成するために、本発明は、多結晶シリコンを製造するために、表面に非晶質シリコンが形成されている基板を熱処理するシステムであって、前記基板を格納する基板格納部と、前記基板を熱処理する基板熱処理部と、前記基板を、前記基板熱処理部の最大冷却速度より速い速度で冷却する基板冷却部とを含むことを特徴とするシステムを提供する。
【０００８】
前記基板は、ガラス、石英などの透明基板であることが好ましい。
【０００９】
前記基板は、二つ以上であることが好ましい。
【００１０】
前記基板は、基板支持用の基板ホルダー上に装着された状態で前記基板熱処理部にロード又は前記基板熱処理部からアンロードされることが好ましい。
【００１１】
前記基板熱処理部での熱処理温度は４００℃乃至７５０℃であり、熱処理時間は５分乃至１０時間であり、熱処理雰囲気はＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｎ２などの不活性ガス雰囲気、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、オゾンなどの酸化性ガス雰囲気、及び、Ｈ２、ＮＨ３などの還元性ガス雰囲気の内の少なくとも１つで制御されることが好ましい。
【００１２】
前記基板冷却部は基板支持用の基板ホルダーを支持する基板トレイを備え、前記基板トレイには前記基板ホルダーに形成されているホールを貫通して前記基板を支持するピンが設けられていることが好ましい。
【００１３】
前記基板冷却部に含まれるベースフレームの内部は、冷却水が流れるように構成されていることが好ましい。
【００１４】
前記基板冷却部は、冷却ファンユニットを備えることが好ましい。
【００１５】
前記基板冷却部では、前記基板は、基板支持用の基板ホルダーと離間した状態で冷却されることが好ましい。
【００１６】
前記冷却ファンユニットは、空気中に含まれる粒子を除去する機能を持つフィルターを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
非晶質シリコンを結晶化するための本発明に係る熱処理システムは、結晶化熱処理の後の基板の冷却速度を速め、平板ディスプレーの生産性を向上させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下添付した図を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る非晶質シリコン結晶化システムの全体的な構成を示す図である。本発明の非晶質シリコン結晶化システム１０は、基板熱処理部２０と、基板冷却部３０と、基板格納部４０とを含む。
【００２０】
基板熱処理部２０は、非晶質シリコンを結晶化させるための、非晶質シリコンが形成されている基板を熱処理する部分であり、ヒーター（不図示）を含む熱処理炉（furnace）に該当する。
【００２１】
基板は、ガラス及び石英などの透明基板であることが好ましいが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、半導体素子の製造工程に使用される場合は、基板はシリコンウエハーなどの半導体ウエハーであり得る。
【００２２】
ＭＩＣ法やＭＩＬＣ法で多結晶シリコンを製造する場合は、金属触媒が塗布された非晶質シリコンを基板熱処理部で熱処理する。固相反応法で多結晶シリコンを製造する場合は、純粋な非晶質シリコンを熱処理する。本発明に係るシステムは、ＭＩＣ法、ＭＩＬＣ法、固相反応法などによる多結晶シリコンの製造全てに適用される。ただし、以下に、ＭＩＣ法及びＭＩＬＣ法を例として本発明を説明する。
【００２３】
基板熱処理部２０は、ＭＩＣ法やＭＩＬＣ法で多結晶シリコンを製造する際の熱処理条件に合致するように構成されている。そのため、基板熱処理部２０は、熱処理温度、熱処理時間及び熱処理雰囲気などを適切に調節できるように構成されている。したがって、熱処理温度を４００℃乃至７５０℃、熱処理時間を５分乃至１０時間、並びに、熱処理雰囲気をＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｎ２などの不活性ガス雰囲気、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、オゾンなどの酸化性ガス雰囲気、及びＨ２、ＮＨ３などの還元性ガス雰囲気の内の少なくとも一つで制御できるように基板熱処理部２０が構成されていることが好ましい。
【００２４】
本発明において基板熱処理部２０は複数の基板を同時に処理できるバッチ式になっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、一度に一つの基板を処理する枚葉式であってもよい。バッチ式は、枚葉式に比べて生産性が顕著に高まる利点を有するが、複数の基板を基板熱処理部２０に適切に移送してロードすることのできる基板移送手段（不図示）及び基板ロード手段（不図示）を備える必要がある。
【００２５】
複数の基板は、熱処理のために、基板ホルダーに装着された状態で基板熱処理部２０に装入される。基板を基板支持用の基板ホルダーに装着して装入する理由は、熱処理過程中に基板の変形を防止するためである。ＬＣＤなどの平板ディスプレーの大面積化によって基板面積もやはり大きくなるため、基板を基板ホルダーで適切に支持しなければ、熱処理過程で基板が曲がるなどの現象が生じる。したがって、基板を基板ホルダーで支持した状態で熱処理を進行させることが好ましく、基板の全面を基板ホルダーで完全に支持した状態で熱処理を進行させることがさらに好ましい。基板及び基板ホルダーについては、図３を参照しつつより詳しく説明する。
【００２６】
基板冷却部３０は、基板熱処理部２０で熱処理過程が完了し、多結晶シリコンが形成された基板を冷却する部分であり、本発明の特徴的な構成に該当する。
【００２７】
従来、非晶質シリコンの結晶化が完了すると、ヒーターの電源を遮断した状態で基板熱処理部内に基板をそのまま放置して基板を冷却させる方式、又は基板熱処理部から基板を取り出して大気中に放置して冷却させる方式が使用された。しかし、前述したように、このような基板冷却方式は多くの時間を要するので、全体的な生産性が低下するという問題点を伴う。すなわち、基板熱処理部での熱処理が完了した後に、電源を切った状態で最大の冷却速度で基板を冷却させても冷却速度に限界があった。本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、本発明に係るシステムは、基板熱処理部２０とは別の基板冷却部３０を備え、基板の冷却速度を従来方式のものよりもさらに速めることを特徴とする。
【００２８】
図３は、基板冷却部３０の全体的な構成を示す図である。
【００２９】
基板冷却部３０は、基本的には、ベースフレーム３１を含む構造体である。フレーム３１の内部は、基板を迅速に冷却するために、冷却水が流れるように構成されている（不図示）。また、フレーム３１上には、冷却ファン３２が設けられている。すなわち、本発明の基板冷却部３０は、水冷式及び空冷式を組み合わせて基板を冷却する方式を採用する。
【００３０】
多結晶シリコンが形成された基板３７は、熱処理が完了した後に、基板熱処理部２０から基板冷却部３０に移送されて基板冷却部３０のフレーム３１上に載置される。フレーム３１上に載置された基板３７は、フレーム３１の内部を流れる冷却水及び冷却ファン３２から送られる冷たい空気により冷却され、短い時間内（例えば、１０分以内）に常温に達する。本発明は、水冷式と空冷式を組み合わせた方式を使用するので、基板の冷却効率を向上することができる。
【００３１】
冷却ファン３２には、ファン・フィルター・ユニット（Fan Filter Unit：ＦＦＵ）を使用することが好ましい。一般的に、ＦＦＵは、クリーンルームの天井などに設けられ、下方に層流（laminar flow）を形成することによって、クリーンルームの環境を造成する役割を担う。このとき、ＦＦＵは、フィルターで空気中に含まれた粒子を濾過し、ファンで空気を吹き出す。したがって、ＦＦＵは、基板に冷たい空気を吹き込みながら粒子による基板の汚染を防止できる。ＦＦＵで基板に冷たい空気を吹き込む際、複数の基板３７の間に冷たい空気が円滑に通過するように基板に水平方向に空気を吹き込む場合は、ＦＦＵを基板の側面に配設することも好ましい。
【００３２】
本発明において、複数の基板３７は、基板冷却部３０の基板トレイ３３に装着された状態で冷却される。特に、基板３７は、基板ホルダー３６から分離した状態で冷却される。
【００３３】
図３は、基板冷却部３０の基板トレイ３３において、冷却される際の基板の状態を示す図である。基板トレイ３３は、基板ホルダー支持台３４とピン３５を含む。
【００３４】
熱処理の後に、基板熱処理部３０から基板冷却部３０に基板を移送して冷却する過程は次の通りである。
【００３５】
まず、基板熱処理部３０で熱処理が終わると、基板熱処理部２０の電源を切った後に、基板熱処理部２０で所定の温度（通常の熱処理温度より１００℃乃至２００℃低い温度）までに基板３７を自然冷却させる。これは、基板３７を急冷させる際に基板が熱衝撃などで破損したり曲がったりする現象が生じるのを防止するためである。その後、基板ボートを昇降するボートエレベータ（不図示）を利用して、複数の基板３７が装着されている基板ボート（不図示）を下降させ、基板３７を基板熱処理部２０の外部にアンロードする。この際、基板３７は、それぞれの基板ホルダー３６上に装着されている。その結果、基板３７は、基板ホルダー３６に装着された状態で基板熱処理部２０からアンロードされる。図１のように、基板熱処理部２０からアンロードされた基板３７は、基板熱処理部２０の直下方空間に位置している。複数の基板を基板ボートに装着し、これを基板ボートエレベータで基板熱処理部にロード及び基板熱処理部からアンロードする構成は公知の技術であるため、これについての詳細な説明は省略する。
【００３６】
次に、基板２７は、基板ホルダー３６に装着された状態で基板ボート（不図示）から基板冷却部３０の基板トレイ３３に移送される。移送手段には、基板移送ロボットのような手段（不図示）を利用する。基板ホルダー３６には、基板トレイ３３のピン３５が貫通できる穴が形成されている。基板移送ロボットは、基板３７が装着された基板ホルダー３６を基板トレイ３３までに運び、基板ホルダー支持台３４上に載置する。この過程で、基板トレイ３３のピン３５が基板ホルダー３６の穴を貫通し、基板３７がピン３５上に位置することになる。これによって、基板３７は、基板ホルダー３６と完全に離間した状態になる。
【００３７】
１個の基板３７当り６個のピン３５（すなわち、長方形基板の長辺の両側にそれぞれ３個ずつ）が対応し、できるだけ最小限の面積で基板３７を支持するようにすることが好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３８】
このように基板３７は基板ホルダー３６から離間していると共に、最小限の面積でピンにより支持されているので、基板３７の大部分の面積は露出することになる。したがって、基板冷却部３０における基板の冷却効率はより一層向上できる。
【００３９】
基板格納部４０は、基板冷却部３０で冷却が完了した基板が移送され、格納される部分である。基板移送ロボットがピン３５上の基板３７を持ち上げて基板格納部４０に移送して格納する。
【００４０】
上記で熱処理及びその後の過程を中心に本発明に係るシステムを説明したが、基板冷却部３０及び基板格納部４０は、熱処理のために複数の基板を基板熱処理部２０にロードする過程においても使用することができる。例えば、熱処理のために複数の基板３７を基板熱処理部２０に装入する前に、基板冷却部３０を基板ホルダーが装着される部分として使用する場合がある。ただし、このような場合は、基板の冷却は不要なので、冷却ファン３２などを作動させなくてもよい。
【００４１】
熱処理のために、基板格納部４０から基板冷却部３０を経て基板熱処理部２０に基板を移送する過程は次の通りである。基板移送ロボットが基板格納部４０に格納されている基板３７を取り、基板トレイ３３に設けられているピン３５の上に載置する（図３参照）。その後、基板移送ロボットが図３に示されている基板の配置状態で基板ホルダー３６を取って持ち上げると、ピン３５は基板ホルダー３６から抜け、基板３７は自然に基板ホルダー３６に装着されるようになる。その後、基板ホルダー３６は基板３７が装着された状態で基板熱処理部２０にロードされ、基板熱処理が進行する。基板３７は、その全面が基板ホルダー３６に完全に密着した状態で熱処理される。これについては、図１を参照して行った説明と同様である。もちろん、基板熱処理部２０に基板３７をロードする過程でも、前述したような基板ボート及び基板ボートエレベータを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
非晶質シリコンの結晶化のための本発明に係る熱処理システムは、結晶化熱処理後の基板の冷却速度を速め、平板ディスプレーの生産性を向上させる効果がある。従って、本発明の産業利用性はきわめて高いものといえる。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態を幾つか説明したが、当業者ならば、添付の特許請求範囲に規定された本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの変更及び修正を行うことが可能であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る非晶質シリコン結晶化システムの全体構成を示す図面である。
【図２】図１の非晶質シリコン結晶化システムにおける基板冷却部の構成を示す図面である。
【図３】図２の基板冷却部で冷却する際の基板の状態を示す図面である。
【符号の説明】
【００４５】
１０    非晶質シリコン結晶化システム
２０    基板熱処理部
３０    基板冷却部
３１    ベースフレーム
３２    冷却ペン
３３    基板トレイ
３４    基板ホルダー支持台
３５    ピン
３６    基板ホルダー
３７    基板
４０    基板格納部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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