(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板断面での厚さｄと幅ｂの係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）が０．０１５から０．１５の薄い帯状のガラス基板を、反応ガスが供給されており高温状態に温度制御された成膜領域を通過直後に、該成膜領域よりも低い温度の冷却領域を通過するよう連続移動させて、前記ガラス基板を前記成膜領域において急速加熱し、その後速やかに前記冷却領域において急冷することにより、前記ガラス基板上に前記反応ガス成分からなる薄膜を形成させる際に、
前記ガラス基板の材質、係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）に応じて、前記ガラス基板の移動速度及び前記成膜領域の温度、長さを制御することにより、前記ガラス基板上に成膜する前記薄膜の状態及び膜厚を調整することを特徴とする連続薄膜形成方法。
【請求項２】
さらに、前記反応ガスの流速を制御することにより、前記ガラス基板上に成膜する前記薄膜の膜厚を調整することを特徴とする請求項１に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項３】
前記成膜領域は、熱ＣＶＤ処理による成膜を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項４】
前記成膜領域の前に、前記ガラス基板の予備加熱を行い、前記成膜領域においてプラズマＣＶＤによる成膜処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項５】
前記ガラス基板は厚さ３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスからなり、前記成膜領域は、１１５０℃以上、１４００℃以下に加熱されており、前記反応ガスはＨ２ガスとＤＣＳガスの混合ガスであり、前記ガラス基板を前記成膜領域内に０．１秒以上０．５秒以下の時間暴露し、前記暴露後速やかに少なくとも９００℃以下の前記冷却領域に暴露して冷却することにより前記ガラス基板上にシリコン薄膜を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項６】
前記混合ガスが、所定流速で供給される前記成膜領域中で、前記ガラス基板が１１７５℃以上に加熱されかつ１０５０℃以上の温度に維持されている時間が０．２秒以下であり、その後冷却領域において９００℃以下まで平均１００００℃／秒以上の冷却レートで冷却することによりシリコン薄膜を生成することを特徴とする請求項５に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項７】
前記混合ガスは、Ｈ２ガスに少なくとも２ｍｏｌ％以上２０ｍｏｌ％以下のＤＣＳガスを混合したことを特徴とする請求項６に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項８】
前記混合ガスは、平均流速が０．５ｍ／秒以上となるように供給されることを特徴とする請求項７に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項９】
前記ガラス基板は、石英ガラスであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法により製造したガラス基板を所望の長さに切断し、幅方向に接続することにより、薄膜を備える板状ガラス基板を製造することを特徴とするガラス基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法により製造したことを特徴とするガラス基板。
【請求項１２】
請求項１０のガラス基板の製造方法により製造したことを特徴とするガラス基板。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のガラス基板上に製造されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
基板断面での厚さｄと幅ｂの係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）が０．０１５から０．１５の薄い帯状のガラス基板を、反応ガスが供給されており高温状態に温度制御された成膜領域を通過直後に、該成膜領域よりも低い温度の冷却領域を通過するよう連続移動させて、前記ガラス基板を前記成膜領域において急速加熱し、その後速やかに前記冷却領域において急冷することにより、前記ガラス基板上に前記反応ガス成分からなる薄膜を形成させる連続薄膜形成方法により製造したガラス基板を所望の長さに切断し、幅方向に接続することにより、薄膜を備える板状ガラス基板を製造することを特徴とするガラス基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長手方向が幅に対して十分に長い線状のガラス基板（以下線状ガラス基板と呼ぶ）上に各種薄膜を形成する製造技術に関するものであり、特にアモルファスシリコン又は多結晶シリコン（ポリシリコン）等のような緻密な各種シリコン薄膜を形成するのに適した薄膜形成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＦＴ、有機ＥＬ等では、ガラス基板上にシリコン薄膜を形成し、形成したシリコン薄膜上に駆動回路を形成している。このようなガラス基板上に各種薄膜を形成する成膜技術は、半導体製造技術の基礎となる重要な技術分野である。【０００３】
ガラス基板への成膜技術の一例として、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）等の成膜工程を説明する。ＴＦＴの製造工程においては、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜、または多結晶シリコン膜を形成し、該シリコン膜上に、液晶を駆動する駆動回路やトランジスタ等の半導体制御回路を形成している。最近の傾向として、高速動作の要請から、ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する技術が注目されている。従来技術においては、多結晶シリコン膜を形成する場合には、まず、アモルファスシリコンを成膜した後、アモルファスシリコンをレーザアニールや熱アニール法により多結晶シリコンに変換している。【０００４】
ガラス基板上に多結晶シリコン膜を形成する従来技術の一例を、特許文献１を用いて説明する。まず基板となるガラス基板の上に酸化膜を形成し、その上にＣＶＤ法等により水素含有のアモルファスシリコン膜を堆積する。その後、熱処理により脱水素処理を行い、エキシマレーザの照射によるアニール処理によりアモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に変化させる。その後、さらにいくつかの処理を経て好適なポリシリコン膜を得ることができる。【０００５】
上記のような水素含有アモルファスシリコン膜は、ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法により堆積されるのが一般的である。このようなＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法やプラズマ法の処理温度は通常４００℃程度であり、脱水素処理も通常４００℃〜５００℃の温度下で、６０分程度の処理が行われる。【０００６】
このような従来技術は、最高処理温度が５００℃程度であるため、材料費の安い多成分ガラスなど基板材料として使用できる等、基板材料の選択の自由度が高いという利点がある。
【特許文献１】特開平１１−２０４７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような従来技術によるガラス基板へのシリコン薄膜の成膜技術においては、例えば６０分にも及ぶ脱水素処理等が必要である等、生産性に問題があった。通常、ガラス基板上へアモルファスシリコンを形成するためには、蒸着法、スパッタ法、または各種ＣＶＤ法が用いられる。最も多用されているプラズマＣＶＤ法では、グロー放電により原料ガスのシラン（ＳｉＨ４）、シランジシラン（ＳｉＨ６）を分解し、アモルファスシリコン薄膜を基板上に成長させている。基板としては結晶シリコン、ガラス、耐熱プラスチックなどが用いられ、通常４００℃以下で成長させることができる。また、この方式によると、大面積のものが比較的低コストで作成できるというメリットがある。しかし、シランでの成膜は減圧プロセスを伴うバッチプロセスであり、既存の装置では大幅な生産性（成膜速度）の改善が望めない。また、成膜速度を上昇させようとすると多くの場合膜厚分布が発生してしまっていた。よって、生産性を向上しようとすると、大型のガラス基板を用いるしかなく、そのために大型の設備が必要となり、大規模な設備投資が必要となる。コスト競争に勝ち抜くためには、次々と投資競争を行い、大型化の装置に更新する必要がある。また真空装置の装置であるために、装置コストが高く、成膜速度の大幅な向上が期待できない課題がある。【０００８】
また特に、シランを用いた真空プロセスの場合にはアモルファスシリコン薄膜中に水素を多く含有している。そのため、結晶粒径を粗大化するための熱アニールやレーザアニールの前に、長時間の脱水素プロセスが必要とされていた。【０００９】
一方、低温プロセスで安価な基板が使える半面、バッチプロセスのため基板自体で自立する必要があり、所定の厚さが必要となることと、基板の研摩費用が掛かるために石英ガラスのような高価なガラス基板は使用できない。このことは基板大型化で特に顕著となる。安価な基板を用いる場合は、基板のアルカリ金属やアルカリ土類金属の拡散を防ぐために、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）のバリア膜を成膜しており、不要な工程を導入している。【００１０】
本発明は、上記のような従来技術の問題に鑑みてなされたもので、ガラス基板上に各種薄膜を連続的に高速で形成することのできる連続薄膜形成方法及びこれにより製造した薄膜を備えるガラス基板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】
【００１１】
この発明にかかる第１の態様の連続薄膜形成方法は、基板断面での厚さｄと幅ｂの係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）が０．０１５から０．１５の範囲の薄い帯状のガラス基板を、反応ガスが供給されており高温状態に温度制御された成膜領域を通過直後に、該成膜領域よりも低い温度の冷却領域を通過するよう連続移動させて、前記ガラス基板を前記成膜領域において急速加熱し、その後速やかに前記冷却領域において急冷することにより、前記ガラス基板上に前記反応ガス成分からなる薄膜を形成させる際に、
前記ガラス基板の材質、係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）に応じて、前記ガラス基板の移動速度及び前記成膜領域の温度、長さを制御することにより、前記ガラス基板上に成膜する前記薄膜の状態及び膜厚を調整することを特徴とする。
このように、ガラス基板を薄い帯状にして熱容量を小さくしつつ表面積を大きくすることにより、ガラス基板を急加熱、急冷することが可能になる。これにより、帯状の薄い基板を、成膜領域を通過させるだけの簡単な構造で基板上に各種材料の緻密な薄膜が形成可能となる。また、基板上に、高速で連続して薄膜を形成することが可能となる。さらに、連続で移動するために成膜速度が早い場合に発生する長手方向の膜厚分布も問題にならなくなる。
また、ガラス基板の性質に応じて、基板の移動速度、成膜領域の温度を制御するという簡単な制御だけで、基板の種類及び膜厚を調整することが可能となる。
【００１３】
この発明にかかる第２の態様の連続薄膜形成方法は、上述の第１の態様による連続薄膜形成方法において、さらに、前記反応ガスの流速を制御することにより、前記ガラス基板上に成膜する前記薄膜の成膜速度、その結果として膜厚を調整することを特徴とする。さらに、反応ガスの流速を調整することにより、より正確な膜厚調整が可能となる。 
【００１４】
この発明にかかる第３の態様の連続薄膜形成方法は、上述の第１または第２のいずれかの連続薄膜形成方法において、前記成膜領域が、熱ＣＶＤ処理による成膜を行うことを特徴とする。熱容量の小さな薄い基板を用いるので、急加熱、急冷が可能であり、例えば１２００℃以上の高温を用いる熱ＣＶＤによる連続成膜も可能である。 
【００１５】
この発明にかかる第４の態様の連続薄膜形成方法は、前記成膜領域の前に、前記ガラス基板の予備加熱を行い、前記成膜領域において熱ＣＶＤによる成膜処理を行うことを特徴とする。成膜方法は、熱ＣＶＤに限定されることなく、種々の方法を採用可能である。この場合でも、連続で移動するので、成膜速度が早い場合に発生する長手方向の膜厚分布も問題にならなくなる。 
【００１６】
この発明にかかる第５の態様の連続薄膜形成方法は、前記ガラス基板は厚さ３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスからなり、前記成膜領域は、１１５０℃以上、１４００℃以下に加熱されており、前記反応ガスはＨ２ガスとＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２、ジクロロシラン）ガスの混合ガスであり、前記ガラス基板を前記成膜領域内に０．１秒以上０．２５秒未満の時間暴露し、前記暴露後速やかに少なくとも９００℃以下の前記冷却領域に暴露して冷却することにより前記ガラス基板上にシリコン薄膜を形成することを特徴とする。 
【００１７】
この態様によると、ガラス基板上に最初から水素を含有しない表面性のよい緻密なシリコン薄膜を形成できるので長時間を要する脱水素処理、アニール処理を省略することができる。なお、原料ガス供給下で所定の高温処理を実施すれば成膜自体は可能である。しかし、高温状態が所定以上の時間持続するとマイグレーションが発生し、表面の平滑度が悪化し好適でない。このため、この態様では、該シリコン薄膜は、高温領域中に暴露される時間を０．２秒以下としその後急冷することでマイグレーションの発生を抑制している。シリコン薄膜の場合、第１領域の温度が１１５０℃以下では緻密なシリコン薄膜が形成できず、また、基板例えば石英の軟化温度を考慮すると成膜領域（第１領域）の温度は１４００℃以下が好ましい。【００１８】
この発明にかかる第６の態様の連続薄膜形成方法は、上記第５の態様にかかる連続薄膜形成方法において、前記混合ガスが、所定流速で供給される前記成膜領域中で、前記ガラス基板が１１７５℃以上に加熱されかつ１０５０℃以上の温度に維持されている時間が０．２秒以下であり、その後冷却領域において９００℃以下まで平均１００００℃／秒以上の冷却レートで冷却することにより緻密なシリコン薄膜を生成することを特徴とする。 
【００１９】
この発明にかかる第７の態様の連続薄膜形成方法は、上記第６の態様にかかる連続薄膜形成方法において、前記混合ガスが、Ｈ２ガスに少なくとも２ｍｏｌ％以上２０ｍｏｌ％以下のＤＣＳガスを混合したことを特徴とする。
【００２０】
ポリシリコン膜の成膜速度は、雰囲気中のＤＣＳ濃度に依存する。即ち、ＤＣＳ濃度が２ｍｏｌ％を境に成膜速度の変曲点が存在する。また、ＤＣＳ濃度が２０ｍｏｌ％以上で一度成膜したシリコン薄膜がエッチングされる場合がある。従って、本態様のような構成の混合ガスを使用することが好ましい。なお、Ｈ２、ＤＣＳの他に微量のガス成分を含むものであってもよい。【００２１】
この発明にかかる第８の態様の連続薄膜形成方法は、上記第７の態様にかかる連続薄膜形成方法において、前記混合ガスの平均流速が０．５ｍ／秒以上となるように供給されることを特徴とする。 
【００２２】
混合ガスの流速の増加に伴い成膜速度は大きくなる。これは、高温雰囲気中の成膜であるためにシリコンの供給律速となっており、所定流速以上で層流流れでの境界層の厚さが減少して、基板上に多くのシリコンが供給され、所定の流速に達するとシリコンの供給量が飽和し、混合ガスの流速と成膜速度の相関が弱くなる。従って、高速成膜の観点から本態様のごとく、混合ガス流速を構成することが好ましい。【００２３】
この発明にかかる第９の態様の連続薄膜形成方法は、上記第１から第８のいずれかの態様にかかる連続薄膜形成方法において、前記ガラス基板が、石英ガラスであることを特徴とする。高温処理の場合には、耐熱性の高い石英ガラス基板を使用することが望ましい。 
【００２４】
この発明にかかる第１の態様のガラス基板の製造方法は、上記第１から第９のいずれかの態様に記載の連続薄膜形成方法により製造したガラス基板を所望の長さに切断し、幅方向に接続することにより、薄膜を備える板状ガラス基板を製造することを特徴とする。 
【００２５】
この発明にかかる第１の態様のガラス基板は、上記第１から第９のいずれかの態様に記載の連続薄膜形成方法により製造したことを特徴とする。これにより、薄くて軽く、フレキシビリティ性に富み、薄膜の形成されたガラス基板を提供することが可能となる。 
【００２６】
この発明にかかる第２の態様のガラス基板は、上記第１の態様に記載のガラス基板の製造方法により製造したことを特徴とする。このようにして、薄くて軽い帯状ガラス基板から大面積のガラス基板を製造することが可能となる。【００２７】
この発明にかかる第１の態様の半導体装置は、上記第１または第２の態様に記載のガラス基板上に半導体素子が製造されていることを特徴とする。  また、本発明の他の態様に係るガラス基板の製造方法は、基板断面での厚さｄと幅ｂの係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）が０．０１５から０．１５の薄い帯状のガラス基板を、反応ガスが供給されており高温状態に温度制御された成膜領域を通過直後に、該成膜領域よりも低い温度の冷却領域を通過するよう連続移動させて、前記ガラス基板を前記成膜領域において急速加熱し、その後速やかに前記冷却領域において急冷することにより、前記ガラス基板上に前記反応ガス成分からなる薄膜を形成させる連続薄膜形成方法により製造したガラス基板を所望の長さに切断し、幅方向に接続することにより、薄膜を備える板状ガラス基板を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、熱容量の小さくしつつ表面積を大きくした薄いガラス基板を、成膜領域を構成する高温反応路内を短時間で通過させた後急冷することにより、ガラス基板上に所望の種類の薄膜を高速で連続的に成膜することが可能となる。また、本発明によれば、ガラス基板の熱容量、表面積、移動速度、及び成膜領域の温度、ガス流速を制御するだけで、ガラス基板上にパーティクルが少なく平滑度の高い緻密な薄膜を連続的に高速で成膜することができる。さらに、成膜速度が早い場合に発生する長手方向の膜厚分布も問題にならなくなる。【００２９】
また、例えば、第６の態様の連続薄膜形成方法によると、石英ガラス上に直接緻密なシリコン薄膜を形成できるので、長時間を要する脱水素処理、アニール処理、その他の適正化処理が不要となる。【００３０】
また、ガラス基板の移動速度・ガス流速によりシリコン薄膜の膜厚を制御することが可能であり、所望のシリコン薄膜を形成することが可能である。また、石英ガラス自体は多成分ガラス等に比べて高価ではあるが、300μｍ以下の厚さに加工して成膜するため、本発明によると安いコストで製造することが可能である。特に、線引法で作製された線状ガラス基板は、線引後の研削研摩加工をしなくても、所望の厚さや表面粗さ、平坦度が得られるので、安価である。
さらに、薄いフィルム状に形成されているので、最終製品を薄くかつ軽量することができる。また、フレキシビリティに富んでいるので、剛性の高いガラス基板に比べてより多くの用途に使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明にかかる連続成膜方法の原理を説明するための図である。
【図２】（ａ）は本発明の連続成膜方法の一例としてシリコン薄膜を成膜する際に使用した成膜装置の基本構成を示す図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の断面A-A’方向のサセプタとガラス基板の位置関係の模式図である。（ｃ）は、反応管の他の例を示す断面図である。
【図３】基板厚さに対して基板幅が十分大きい場合における、係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）の基板厚さ依存性を示すグラフである。
【図４】昇温レートと基板の厚さの関係を示すグラフである。
【図５】ＤＣＳ濃度とシリコン薄膜の成長速度（成膜速度）の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１０ａ・・・・成膜前のガラス基板
１０ｂ・・・・成膜後のガラス基板
１１、３１・・成膜装置
１２、３２・・炉殻
１３、３３・・反応管１４・・・・・熱源
１５ａ・・・・供給ドラム
１５ｂ・・・・巻き取りドラム
１６・・・・・成膜領域
１７・・・・・冷却領域
３４・・・・・赤外線発生装置
３５・・・・・赤外線吸収体
３６・・・・・ガラス基板
３７・・・・・第１領域
３８・・・・・第２領域
３９・・・・・中間領域
４１・・・・・最高温度
４２・・・・・冷却速度
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図面を参照して本発明の好ましい実施の形態にかかる連続薄膜形成方法について説明する。
図１は、本発明にかかる連続薄膜形成方法の原理を説明するための図である。以下の説明においては、理解を容易にするために、石英ガラス基板にシリコン薄膜を形成する例を用いて説明するが、本発明はシリコン薄膜を形成する場合に限定されることなく、反応ガスの種類に応じて、各種薄膜を形成することが可能である。また、ガラス基板も石英ガラス基板に限らず、温度条件等に応じて、各種ガラス基板やパイレックス（登録商標）を使用することが可能である。また、図１の成膜装置１１は、高温の熱ＣＶＤにより成膜を行う例を示しているが、例えばプラズマＣＶＤによる成膜装置を用いて成膜することも可能である。【００３４】
図１において、１０ａは成膜前のガラス基板を示し、１０ｂは成膜後のガラス基板を示す。いずれも薄い帯状のガラス基板である。図１は、１２００℃以上の熱ＣＶＤにより成膜する場合を例示しており、ガラス基板としては、石英ガラス基板１０ａを用いる。石英ガラス基板１０ａは、例えば厚さ３０μｍから３００μｍ程度、幅数ｍｍから数十ｍｍ程度の薄い帯状に加工されている。このように薄い形状として熱容量を小さくし、表面積を大きくすることにより、急加熱及び急冷が可能となり、高速で連続的な薄膜の形成が可能となる。【００３５】
例えば、母材ガラスを加熱延伸する際に加熱炉内で母材ガラスの両方の面にガス流が同じになるようにして母材ガラスを延伸することにより、石英ガラスを薄い帯状のガラス基板に形成することができる（国際公開番号WO/2006/070527参照のこと）。
また、その際生成した薄い帯条のガラス基板の側面の平均表面粗さは、200nm以下、好ましくは10nm以下にすることが好ましい。これにより、ガラス板の捻れ等に対するフレキシブル性が増し、破断又は破壊が発生し難くなる。【００３６】
薄い帯状に加工されたガラス基板は、供給ドラム１５ａから供給され、成膜装置１１を高速で通過した後、巻き取りドラム１５ｂに巻き取られる。供給元は基材を線引きした線引炉から直接供給してもよい。また、被覆が施されたガラス基板に成膜する場合は、その被覆を除去する工程と再度被覆する工程が具備されていてもよい。成膜装置を通過することにより、ガラス基板上には熱ＣＶＤにより反応ガスに応じた薄膜が形成される。【００３７】
成膜装置１１は、例えば、１２００℃以上の温度による熱ＣＶＤにより成膜を行う高温の反応炉であり、基本的な構成のみを示している。炉殻１２の中央部に反応管１３を備えており、反応管１３の上下から赤外線発生装置等の熱源１４により加熱する。反応管１３には反応ガスが供給される。例えば、シリコン薄膜を形成する場合には、導入管１３ａからＨ２ガスとＤＣＳガス（ジクロロシラン：ＳｉＨ２Ｃｌ２）の混合ガスが所定の流速で供給され、吸気管１３ｂから吸気される。それぞれのガスの流速及び流量は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２３により、一定となるように制御される。【００３８】
例えば、シリコン薄膜を形成する場合には、反応管内（成膜領域１６）の温度を１１５０℃から１４００℃位に加熱し、７０ｍｍ前後長さの成膜領域１６を０．２秒程度の短時間で通過するように、石英ガラス基板を移動させる。成膜領域１６を通過後は冷却領域１７となり、ガラス基板１０ｂは急冷される。急冷領域は、外気温と同じ温度でも、９００℃以下の制御された温度環境下においても良い。図１の例では、冷却領域１７は外気温で冷却している。【００３９】
このように、成膜領域１６で急加熱され、冷却領域１７で急冷されることにより、３０ｎｍから５００ｎｍ程度の薄膜を形成することが可能となる。高温で分解したシリコンが線状ガラス基板の表面に堆積された直後に急冷することにより、基板上でのマイグレーションを抑制しつつ、シリコンがガラス基板上に定着して薄膜となる。冷却速度が遅く高温状態が持続すると、高温によりシリコンのパーティクルの生成が促進され、表面性がよい薄膜が生成され難い。また、急冷工程においては、石英ガラス基板が高温に加熱されているので、高温のガラス基板の余熱により結晶が生成される。従って、余熱温度が高い状態が所定時間維持されている場合（基板温度が高い場合）には、結晶が生成されて多結晶シリコンとなり、余熱が小さく基板の温度が低い場合には、アモルファスシリコンとなると考えられる。線状ガラス基板の移動速度は、線状ガラス基板を供給するボビンにまかれた長さに依存し、１０ｍ程度では、２５〜５００ｍｍ／秒前後が望ましい。100mから数１ｋｍでは、１ｍから１０ｍ／秒、１００ｋｍ以上では１０ｍから５０ｍ／秒以上が好ましい。反応炉の温度、長さや方式は線状ガラス基板の速度に応じて最適化する必要があるのは言うまでもない。【００４０】
ガラス基板は高温反応炉を極短時間で通過した後急冷されて、薄膜が生成されるために、高速で連続的に薄膜の形成ができるだけでなく、パーティクルの生成や不純物の付着が少なく、平滑度の高い緻密な薄膜を提供することが可能となる。また、膜厚は反応炉の累積滞在時間及び反応ガスの濃度により確定される。例えば、原料ガス濃度が３ｍｏｌ％以上とすることにより、良行な成膜速度を得ることができる。【００４１】
このように、生成される薄膜の状態、及び膜厚はガラス基板の密度、比熱等の材質や、反応管の温度、ガラス基板の移動速度及び反応ガスの流速等により決定できる。従って、ガラス基板の材質に応じて、炉の温度、基板の移動速度、反応ガスの流速を正確に制御することにより、膜質や膜厚を調整する。ガラス基板の移動速度、炉の温度、反応ガスの流速は、目標とする薄膜の種類及び膜厚に応じて、移動速度制御装置２０、温度制御部２１、ガスフロー制御部２２により正確に制御される。【００４２】
尚、図１では、成膜装置を分かり易く単純化して説明しているが、実際は１２００℃以上の高温を得るために、中央部にサセプタ等を設けている。この場合には、サセプタ部分が成膜領域１６となり、その前後は予備加熱及び予備冷却領域１７となる。
また、図１では、説明を分かり易くするために、基板の片面のみに薄膜を形成する例を示しているが、両面に反応ガスを供給するように構成して基板両面に薄膜を形成することも可能である。【００４３】
本発明を実施するために成膜装置を作製し、シリコン薄膜の試作を行った。以下の試作に基づいて、各種成膜条件を説明する。図２（ａ）に、作製した成膜装置３１を示す。成膜装置３１は、炉殻３２内に石英製の反応管３３を設置し、石英管の周囲に赤外線発生装置３４を配置、反応管３３の内部にカーボン製の赤外線吸収体（サセプタ）３５を配置した。この成膜装置３１は、赤外線発生装置３４から放出した赤外線が、反応管３３を透過し、赤外線吸収体３５に吸収され、赤外線吸収体３５が発熱することにより、赤外線吸収体３５の周囲を高温領域とするよう構成されている。ここで、反応管３３の内径は６ｍｍ、長さ３５０ｍｍ、赤外線発生装置３４の有効長が３００ｍｍ、赤外線吸収体３５が長さ４５ｍｍとし、反応管３３の長手中央位置に配置した。この反応管３３内に原料ガスとしてＨ２にＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを９ｍｏｌ％混合した混合ガスを反応管３３内に平均流速１．３ｍ／秒で供給した。図２（ｂ）に、図２（ａ）のＡ−Ａ’線方向の断面図として、赤外線吸収体とガラス基板の位置関係を模式的に示す。また、図２（ｃ）に、反応管の他の例を示す。図２（ｂ）又は（ｃ）に示すように、ガラス基板３６は、赤外線吸収体３５と触れていなくても、触れていても良い。また、長手方向での膜厚分布は無視できるようになるが、幅が広くなるにつれて幅方向の膜厚分布が無視出来ないようになる。その場合、基板の幅よりと幅方向の反応管の内径が、１．２〜１０倍程度であることが望ましい。【００４４】
ガラス基板３６として、厚さ９０μｍ、幅０．８８ｍｍの断面矩形形状をもつ十分に長い石英製長尺体（薄い帯状ガラス基板に相当）を準備し、その一端を把持して反応管３３内に反応管３３との相対速度４００ｍｍ／秒で走行させた。
赤外線発生装置３４の出力を調整し、赤外線吸収体３５近傍の長手方向５０ｍｍの第１領域（成膜領域１６に相当）３７のガス温度が最高点で１３００℃、出口側端部で１２５０℃となるよう設定した。【００４５】
ここで、第１領域３７の後端から反応管３３出口までの長さ１５０ｍｍの区間は中間領域（予備冷却領域に相当）３９である。反応管３３の出口以後は常温である第２領域（冷却領域１７に相当）３８である。【００４６】
この条件で各領域での基板滞留時間を計算すると、第１領域３７での滞留時間が０．１２５秒、第１領域３７と第２領域３８の中間に滞留する時間が０．３７５秒となる。換言すると、第１領域３７に０．１２５秒暴露された後、０．３７５秒後に第２領域３８に暴露されることになる。【００４７】
上記条件で、ガラス基板３６の温度履歴を計算すると、第１領域３７でガラス基板３６は、最高１１９７℃まで加熱され、１０５０℃以上の状態が０．０７５秒間持続し、中間領域３９から第２領域３８へ移動する際に９００℃まで温度が下がる間の平均冷却レートは１２０００Ｋ／秒である。【００４８】
周囲温度等の条件からガラス基板６の温度履歴を計算する方法を下記する。
走行する基板の熱移動とファイバ表面からの対流伝熱のバランス式は、
ｄ×ｂ×ρ×Ｃｐ×ｖ×δＴ/δｚ＝−（２ｄ＋２ｂ）×ｈ×（Ｔ−Ｔ２）……（１）
となる。
Ｚ方向にΔＺで刻み、ＴｉとＴｉ−１の関係を、式（１）より次の差分式で表す。
Ｔｉ＝（Ｔｉ−１−ｔ）ｅｘｐ（−２（ｄ＋ｂ）／（ｄ×ｂ×ρ×Ｃｐ）×ｈ×ΔＺ/ｖ)＋ｔ  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、
Ｔｎ：基板温度（℃）
ｄ：基板厚さ  上記条件の場合０．００００９ｍ
ｂ：基板幅  上記条件の場合０．０００８８ｍ
ρ：基板の密度        石英の密度  ２．２×１０３ｋｇ／ｍ３ 
Ｃｐ：基板の比熱      石英の比熱  １．０５×１０３Ｊ／ｋｇ・Ｋ
ｖ：基板の移動速度  上記条件の場合０．４ｍ／秒
ｔ：周囲のガス温度  第１領域温度を出側の１２５０℃、中間領域温度を５００℃、第２領域の温度を２５℃として計算
ｈ：周囲ガスへの対流熱伝達率  ２０００ｗ／ｍ２・Ｋ
（２）式の中で基板の形状情報は（単位長さあたりの体積）／（単位長さあたりの表面積）であるｄｂ／２（ｄ＋ｂ）の部分である。ほかの部分はガス条件と加熱条件で決定される因子であり、この値が同一であれば、その基板は同じ温度履歴を受けると言える。対流熱伝達係数ｈは混合ガスの種類とガスの流速に決定される。【００４９】
（シリコン薄膜の形成例及びその評価）
上記成膜装置を用いて、上記各条件を適宜変更することにより、サンプルとしてシリコン薄膜を数種類作製して評価した。なお、評価方法は、ＡＦＭでシリコン薄膜の表面粗さを測定し、ＪＩＳ規定のＲｍｓ値で５ｎｍ以上を不合格とした。また、ラマンスペクトル測定により結晶性を評価した。【００５０】
なお、全てのサンプルについてρ（基板の密度）を石英の密度、２．２×１０３ｋｇ／ｍ３  とし、Ｃｐ（基板の比熱）を石英の比熱、１．０５×１０３Ｊ／ｋｇ・Ｋとして基板の温度と冷却速度を計算した。また、第１領域３７の温度は第１領域出口側の温度とし、第１領域３７の温度に係らず中間領域３９の温度を５００℃、第２領域３８の温度を２５℃とした。さらに、ガラス基板３６の幅が所定値を超えるものについては、反応管３３の形状を内径６ｍｍのものと内側断面積を同一にし、ガラス基板３６を中に挿通可能な形状のものに変更して試験した。また、混合ガスの構成、供給する流速は、上記条件で５０ｎｍ以上の膜厚が得られるよう適宜調整して試験した。
サンプルの製造条件とポリシリコン成膜の評価結果を表１に示す。なお、評価方法は、ＡＦＭでシリコン薄膜の表面粗さを測定し、ＪＩＳ規定のＲｍｓ値で５ｎｍ以上を不合格とした。また、ラマンスペクトル測定により結晶性評価し、ポリシリコン膜とは認識できないものを不合格とした。即ち、表面粗さ、結晶性評価の両方を合格するような条件で、ポリシリコン膜を形成することが望ましい。
【表１】
0005184345.tif 000002
【００５１】
表１から、成膜領域１６の温度を一定とした場合に、ポリシリコン膜の生成の可否は、ガラス基板の加熱速度と冷却速度に依存していることがわかる。従って、成膜領域１６の温度と長さを一定とした場合には、ガラス基板を移動させるライン速度を制御することにより、ポリシリコン膜の生成を制御可能となる。【００５２】
表２に、条件を変えて各種シリコン膜を形成した場合の、成膜条件と形成されたシリコン膜の評価結果を示す。成膜条件は表１と同じとしている。また、生成されたシリコン膜の種類を、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）、及びポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）の３種に分けて分類表示した。
【表２】
0005184345.tif 000003
表２から、成膜条件を変えることにより、各状態のシリコン膜の生成が可能であることがわかる。また、表１のサンプル１４及び表２のサンプル３３，３４から、１０５０℃以上の滞留時間が、０．２秒より大きくなると、表面粗さＲｍｓが悪くなることがわかる。すなわち、成膜工程において、１０５０℃以上の温度の滞留時間は０．２秒以下に抑えることが望ましい。従って、１００μｍ以上の膜厚のシリコン薄膜を形成する場合には、０．２秒で１００μｍ以上の連続成膜が可能となるように、成膜速度を５００ｎｍ／秒以上とすることが望ましい。【００５３】
図３及び図４は、基板の厚さ、基板の幅、及び基板加熱時の昇温レートの関係を示すグラフである。図３は、基板厚さに対して基板幅が十分大きい場合における、係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）の基板厚さ依存性を示すグラフであり、図４は、昇温レートと基板の厚さの関係を示すグラフである。図３からわかるように、幅が１０ｍｍ程度ある場合は、係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）は基板厚さに応じてほぼ一定の値になる。すなわち、厚さが一定であれば幅が大きくなっても、係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）がほぼ同じとなる。係数ｄｂ／２（ｄ＋ｂ）が同じであれば同じ温度履歴となるので、基板幅の大きさに関係なく、基板はほぼ同じ温度履歴をたどることになる。
図４には、加熱炉の温度が１２５０℃で、この温度領域（第１温度領域）が５０ｍｍの長さであり、第１領域に入るときの基板温度が５００℃としたときの、基板の厚さと昇温レートの関係が示されている。幅が１０ｍｍとして、昇温レートを厚さのみの関数として計算した値である。このグラフから、例えば厚さが３０μｍの場合には３５０００Ｋ／ｓｅｃの昇温レートになり、厚さ３００μｍの場合には３５００Ｋ／ｓｅｃの昇温レートとなることがわかる。
厚さが３００μｍ以上の場合は０．２ｓｅｃ後の温度は昇温レートが数千℃／ｓｅｃ以下となり、緻密な薄膜を得るための成膜時間０．２ｓｅｃでは基板温度が低すぎて好適ではない。そのときのｄｂ／２（ｄ＋ｂ）は０．１５となる。また、基板の強度の問題で３０μｍ厚以下は破断する可能性が高くなり、好適ではない。そのときのｄｂ／２（ｄ＋ｂ）は０．０１５となる。よって、基板の形状で決定されるｄｂ／２（ｄ＋ｂ）は０．１５から０．０１５の間が望ましい。【００５４】
図５に、混合ガスの平均流速が１．３ｍ／ｓｅｃのときのＤＣＳ濃度と成膜速度の関係を示す。図４においてＤＣＳ濃度２ｍｏｌ％で変曲点が認められ、高速成膜の観点からは、ＤＣＳ濃度２ｍｏｌ％以上が望ましいことがあることがわかる。
【図１】
0005184345.tif 000004
【図２】
0005184345.tif 000005
【図３】
0005184345.tif 000006
【図４】
0005184345.tif 000007
【図５】
0005184345.tif 000008