連続薄膜の形成方法、形成装置、薄膜付きガラス基板及び半導体装置素子
【課題】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の形成方法、形成装置、薄膜付きガラス基板及び半導体装置素子を提供する。
【解決手段】断面の厚さｄと幅ｂからなるｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が０．０１５以上０．１５以下の範囲の薄い帯状の基板１０を導入口１１４から隔離部１１０に連続的に導入するとともに、供給口１１６から反応ガス１１を加圧して供給し、基板１０および反応ガス１１を第１隔離ゾーン１１１内を通過させて所定の温度まで急速加熱し、続く第２隔離ゾーン１１２内でさらに加熱して反応ガス１１を基板１０上で分解し、続く第３隔離ゾーン１１３内を通過させて基板１０を所定の温度勾配で急速冷却することにより、基板１０上に反応ガス１１の所定の成分からなる薄膜を形成する。
【解決手段】断面の厚さｄと幅ｂからなるｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が０．０１５以上０．１５以下の範囲の薄い帯状の基板１０を導入口１１４から隔離部１１０に連続的に導入するとともに、供給口１１６から反応ガス１１を加圧して供給し、基板１０および反応ガス１１を第１隔離ゾーン１１１内を通過させて所定の温度まで急速加熱し、続く第２隔離ゾーン１１２内でさらに加熱して反応ガス１１を基板１０上で分解し、続く第３隔離ゾーン１１３内を通過させて基板１０を所定の温度勾配で急速冷却することにより、基板１０上に反応ガス１１の所定の成分からなる薄膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幅に対して厚さが小さく長手方向に十分に長い帯状の基板上に所定の薄膜を連続して形成する連続薄膜形成方法等の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）等の緻密なシリコン薄膜を形成するのに好適な連続薄膜形成方法等の技術に関する。
【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、またはポリ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、ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成する技術が注目されている。ポリシリコン膜を形成する従来技術においては、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ポリシリコンに変換している。
【０００４】
通常、ガラス基板上にアモルファスシリコンを形成するのに、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、原料ガスのシラン（ＳｉＨ４）、シランジシラン（ＳｉＨ６）をグロー放電により分解し、アモルファスシリコン薄膜を基板上に成長させている。基板には結晶シリコン、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、この方式では、大面積のものを作成することができるといったメリットがある。
【０００５】
ガラス基板上にポリ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ポリシリコン膜を得ることができる。
【０００６】
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、プラズマＣＶＤ法、プラズマ法等の処理は通常４００℃程度の温度で行われ、脱水素処理も通常４００℃〜５００℃の温度下で６０分程度行われる。
【０００７】
上記のように、従来のポリシリコン膜を形成する処理は最高でも５００℃程度で行われるため、基板材料として材料費の安い多成分ガラスなどを使用することができ、基板材料の選択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】
【０００８】
しかしながら、シラン等を原料とする成膜プロセスは、減圧プロセスを伴うためバッチプロセスとなり、既存の装置では成膜速度を大幅に高めて生産性を改善することは望めない。また、成膜速度を上昇させると、多くの場合膜厚が位置によって変化して膜厚分布が発生していた。このような事情から、生産性を向上させるには大型のガラス基板を用いるしかなく、それには大型の設備を導入する必要があり、大規模な設備投資が必要となっている。生産性を上げてコスト競争に勝ち抜くためには、次々と大型装置への更新を進めて投資競争を行っていく必要がある。成膜プロセスに用いる装置は真空装置であるためコストが高く、また成膜速度を大幅に向上させることが期待できないといった課題がある。
【０００９】
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、結晶粒径を大きくしてポリシリコンに変換するための熱アニールやレーザアニールの処理の前に、脱水素プロセスを長時間行う必要があった。この脱水素プロセスは、例えば６０分にも及ぶ処理時間が必要となる等、生産性に大きな問題があった。
【００１０】
一方、従来の成膜プロセスは低温プロセスのため安価な基板が使えるが、その半面バッチプロセスのため基板単独で自立できる強度が必要であり、そのためには所定の厚さが必要となる。また、従来の方法で成膜された基板では、その表面を研磨する必要がある。このような事情から、コスト的に石英ガラスのような高価なガラス基板を使用することはできない。特に、基板を大型化するためには、基板のコストがなおさら問題となる。一方、安価な基板を用いる場合には、基板のアルカリ金属やアルカリ土類金属等の拡散を防ぐために、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）のバリア膜を成膜する必要があり、より多くの工程が必要となる。
【００１１】
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、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の形成方法、形成装置、薄膜付きガラス基板及び半導体装置素子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】
【００１２】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の第１の態様は、断面の厚さをｄとし幅をｂとしたときｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が0.015以上0.15以下となるように形成された帯状の基板を、予備加熱部に設けられた第１隔離ゾーンと本加熱部に設けられた第２隔離ゾーンと冷却部に設けられた第３隔離ゾーンとを有する隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から連続的に導入するとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から反応ガスを加圧して供給し、前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン内を通過させて所定の温度まで急速加熱し、前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン通過後に前記第２隔離ゾーン内を通過させてさらに加熱して前記反応ガスを前記基板上に成膜させ、前記基板および前記反応ガスを前記第２隔離ゾーン通過後に前記第３隔離ゾーン内を通過させて前記基板を所定の温度勾配で急速冷却することにより、前記基板上に前記反応ガスの所定の成分からなる薄膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
このように、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、基板を急速加熱、急速冷却することが可能になる。これにより、帯状の薄い基板を隔離部内を通過させるだけで基板上に反応ガスの所定の成分からなる緻密な薄膜を連続的に形成することが可能となる。
【００１４】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスの前記隔離部内の圧力は、前記隔離部内の不純物が所定値以下となるように加圧されることを特徴とする。反応ガスを加圧することで隔離部内への不純物の混入を抑制し、これにより基板上に形成される薄膜に不純物が混入するのを低減することができる。
【００１５】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスの前記隔離部内の圧力を前記隔離部外の圧力よりも高くし、前記供給口の圧力を前記第３隔離ゾーン側に設けられた排気口の圧力よりもさらに高くすることにより、前記隔離部内に外気が侵入するのを防止することを特徴とする。隔離部内の圧力をこのように設定することにより、基板上に形成される薄膜に不純物が混入するのを低減することができる。
【００１６】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板は、前記第１隔離ゾーン、第２隔離ゾーン及び第３隔離ゾーンを６秒以下で通過するように制御されることを特徴とする。隔離部を高速に通過させることにより、基板上に高品質な薄膜を形成することができる。
【００１７】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記薄膜は、多結晶構造を有していることを特徴とする。アニール処理を行うことなく多結晶構造の薄膜を形成することが可能となる。
【００１８】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板上に形成する前記薄膜の厚さを、前記第２隔離ゾーンの長さと、前記基板が前記隔離部内を通過する速度と、前記反応ガスの流速によって調整することを特徴とする。これにより、基板上に形成される薄膜を所望の厚さに調整することができる。
【００１９】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第２隔離ゾーンの幅は、前記基板の幅の２倍以上５倍以下であることを特徴とする。基板幅を第２隔離ゾーンの幅より十分小さくすることで、基板の幅方向に均一な薄膜を形成することができる。
【００２０】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記予備加熱部及び前記本加熱部は、熱ＣＶＤにより構成されていることを特徴とする。熱容量の小さな薄い基板を用いるため急速加熱、急速冷却が可能であり、例えば１２００℃以上の高温が実現できる熱ＣＶＤ処理を適用することができる。
【００２１】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記予備加熱部及び前記本加熱部は、プラズマＣＶＤにより構成されていることを特徴とする。熱容量の小さな薄い基板を用いるため急速加熱、急速冷却が可能であり、プラズマＣＶＤ処理を適用することが可能である。
【００２２】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板は、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスであることを特徴とする。基板厚さをこのように薄くすることにより、基板の急速加熱、急速冷却が可能となる。
【００２３】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板を厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスで形成し、前記反応ガスとしてＨ２ガスとＤＣＳガスとの混合ガスを用いて前記基板上にシリコン薄膜を形成することを特徴とする。基板上に水素を含有しない表面粗さの小さい緻密なシリコン薄膜を形成することができ、脱水素処理やアニール処理等の長時間を要する処理を省略することができる。
【００２４】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスは、Ｈ２ガスに少なくとも２mol％以上２０mol％以下のＤＣＳガスを混合していることを特徴とする。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。ＤＣＳ濃度が２ｍｏｌ％を境に成膜速度が速まる。また、ＤＣＳ濃度が２０ｍｏｌ％以上となると、成膜されたシリコン薄膜がエッチングされてしまうことがある。そこで、反応ガスを上記のような構成とするのが好ましい。
【００２５】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスは、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。反応ガスの流速の増加に伴い成膜速度は高くなる。これは、高温雰囲気中の成膜のため所定流速以上で反応ガスを供給すると基板との境界に形成される層の厚さが減少し、これにより基板上により多くのシリコンが供給されるようになるためである。所定の流速に達するとシリコンの供給量が飽和し、反応ガスの流速と成膜速度との相関は弱くなる。
【００２６】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１５０℃以上１４００℃以下に加熱して０．１秒以上０．５秒以下で通過し、前記第３隔離ゾーンの温度を９００℃以下として前記基板を冷却することで前記シリコン薄膜を形成することを特徴とする。このような処理により、好適な薄膜を形成することができる。
【００２７】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１７５℃以上に加熱しかつ０．２秒以下の期間１０５０℃以上に維持し、前記第３隔離ゾーンでは平均１００００℃／秒以上の冷却速度で９００℃以下に冷却することにより前記シリコン薄膜を形成することを特徴とする。このような処理により、より高品質な薄膜を形成することができる。
【００２８】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記シリコン薄膜は、多結晶構造を有するポリシリコン薄膜であることを特徴とする。アニール処理等を行うことなく、ポリシリコン薄膜を形成することができる。
【００２９】
この発明にかかるガラス基板の製造方法の第１の態様は、上記第１乃至第１６の態様のいずれか１つの連続薄膜形成方法により製造された前記基板を所望の長さに切断して幅方向に接続することにより、前記薄膜を備えた板状基板を作製することを特徴とする。
【００３０】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の第１の態様は、帯状の基板を予備加熱する予備加熱部と、前記予備加熱部で加熱された前記基板をさらに加熱する本加熱部と、前記本加熱部で加熱された前記基板を冷却する冷却部とを備えて前記基板上に所定の反応ガスの成分からなる薄膜を形成する連続薄膜形成装置であって、前記予備加熱部に配置された第１隔離ゾーンと前記本加熱部に配置された第２隔離ゾーンと前記冷却部に配置された第３隔離ゾーンとを有する隔離部をさらに備え、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から前記基板を連続的に導入して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで順次通過させて引出口から引き出すとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から加圧された反応ガスを供給して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで所定の流速で送流して排気口から排出することを特徴とする。
【００３１】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記導入口と前記供給口との間に設けられた第２の供給口と、前記排気口と前記引出口との間に設けられた第３の供給口と、をさらに備え、前記供給口の圧力よりも高い圧力で前記第２の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給し、前記排気口の圧力よりも高い圧力で前記第３の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給していることを特徴とする。前記供給口から排出口に向けて流れる反応ガスを挟むように、第２の供給口および第３の供給口から不活性ガスを供給する構成とすることで、反応ガスが外部に漏出するのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止することができる。
【００３２】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記導入口から前記供給口までの間の前記隔離部の断面積および前記排気口から前記引出口までの間の前記隔離部の断面積は、少なくとも前記第２隔離ゾーンの断面積より小さくして前記基板との隙間を小さくしていることを特徴とする。導入口近傍の断面積及び引出口近傍の断面積を小さくして基板との隙間をできるだけ狭めることにより、反応ガスが外部に漏出するのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止することができる。
【００３３】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、上記の連続薄膜形成装置において、帯状基板を供給する手段と成膜された基板を巻き取る手段が設けられていることを特徴とする。
【００３４】
この発明にかかるガラス基板の第１の態様は、上記連続薄膜形成装置を用いて製造された帯状成膜ガラス基板である。
【００３５】
この発明にかかるガラス基板の他の態様は、上記帯状成膜ガラス基板を所望の長さに切断して幅方向に接続して作製されることを特徴とする二次元成膜ガラス基板である。
【００３６】
この発明にかかる半導体装置素子またはモジュールの第１の態様は、上記ガラス基板上に製造されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、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の形成方法、形成装置、薄膜付きガラス基板及び半導体装置素子を提供することが可能となる。熱容量が小さく表面積が大きい薄い基板を、反応ガスを充満させた隔離部内を短時間で通過させて急速加熱、急速冷却することにより、基板上に所望の薄膜を高速で連続的に形成することが可能となる。
【００３８】
また、他の態様によれば、基板の移動速度や加熱温度、反応ガスの流速等を制御することにより、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、高速に成膜した場合でも長手方向の膜厚分布を十分に低減することができる。
【００３９】
さらに、他の態様によれば、石英ガラス上に直接緻密なシリコン薄膜を形成でき、長時間を要する脱水素処理、アニール処理等が不要となる。基板に用いる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用いることから、コストを大幅に低減することができる。特に、線引法で線状ガラス基板を作製して用いる場合には、基板の厚さ、表面粗さ、平坦度等を所望のものにすることができ、研削研摩等の工程を削減してコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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等について説明する。なお、以下の説明では、一例として石英ガラス基板にシリコン薄膜を形成する実施例を用いて説明するが、これに限定されることなく、反応ガスの種類に対応して所定の薄膜を形成することが可能である。また、基板には、石英ガラス基板に限らず、温度条件等に適合する各種ガラス基板やパイレックス（登録商標）等を用いることが可能である。
【００４１】
本発明の実施の形態に係る連続薄膜形成方法及び連続薄膜形成装置を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。図１において、連続薄膜形成装置１００は、隔離部（反応管）１１０と、加熱部１２０と、基板１０を移動させるための供給ドラム１３１および巻き取りドラム１３２とを備えている。供給ドラム１３１に巻き付けられた基板１０は、隔離部１１０の導入口１１４から隔離部１１０の内部に導入され、隔離部１１０の内部で成膜された後引出口１１５から引き出されて巻き取りドラム１３２に巻き取られる。
【００４２】
隔離部１１０は、その内部に基板１０を導入するとともに、反応ガス１１を反応ガス供給管１４１に接続された供給口１１６から吸気して排気口１１７から反応ガス回収管１４２に排気するように構成されている。隔離部１１０の内部では反応ガス１１の成分からなる薄膜が基板１０の表面上に形成されるが、隔離部１１０は反応ガス１１以外の成分が薄膜に混入されるのを抑制している。隔離部１１０は、基板１０上に薄膜を形成するプロセスに対応して、導入口１１４側から引出口１１５側に向けて第１隔離ゾーン１１１、第２隔離ゾーン１１２、および第３隔離ゾーン１１３に区分されている。第１隔離ゾーン１１１は基板１０および反応ガス１１を予備加熱するゾーン、第２隔離ゾーン１１２は基板をさらに高温に加熱して基板１０上に薄膜を形成するゾーン、および第３隔離ゾーン１１３は基板１０を所定の冷却速度で冷却するゾーンである。
【００４３】
隔離部１１０の内部に反応ガス１１以外の例えば大気が混入しないように、隔離部１１０内部の反応ガス１１の圧力を外部（大気圧）より高くしている。また、反応ガス１１が供給口１１６側から排気口１１７側に所定の流速で流れるように、隔離部１１０の内部で反応ガス１１に好適な圧力勾配をもたせている。反応ガス１１の隔離部１１０内での圧力や流速を制御するために、反応ガス供給管１４１にガス流量制御部１４３が設けられている。
【００４４】
隔離部１１０は加熱部１２０の内部に配置され、隔離部１１０内に導入された基板１０および反応ガス１１が加熱部１２０に内蔵された熱源１２４で加熱される構成となっている。熱源１２４からの加熱量を制御する手段として、温度制御部１２６が設けられている。ここでは、加熱部１２０として熱ＣＶＤを用いた例を示しており、熱源１２４からは赤外線が放射される。図１に示す実施例では、加熱部１２０を熱ＣＶＤとしたが、これに限定されず、例えばプラズマＣＶＤ等を用いることも可能である。
【００４５】
加熱部１２０は、隔離部１１０の第１隔離ゾーン１１１、第２隔離ゾーン１１２、および第３隔離ゾーン１１３の区分に対応して、予備加熱部１２１、本加熱部１２２、および予備冷却部１２３に区分されている。予備加熱部１２１では、第１隔離ゾーン１１１に移送されてきた基板１０および反応ガス１１を所定の温度まで急速加熱している。また、本加熱部１２２では、第２隔離ゾーン１１２に移送されてきた基板１０をさらに高温まで加熱することで、基板１０上で反応ガス１１を分解して所定の薄膜を形成している。基板１０をさらに高温まで加熱するために、隔離部１１０内部の第２隔離ゾーンの位置にサセプタ１２５を配置している。サセプタ１２５は、熱源１２４から放射される赤外線によって加熱されて高温となり、これに近接する基板１０を例えば１２００℃以上の温度まで加熱している。第２隔離ゾーンでは、基板温度を１０５０℃以上１３００℃以下に加熱するのがよい。
【００４６】
予備冷却部１２３は、第３隔離ゾーン１１３の一部に対応しており、本加熱部１２２で最高温度まで加熱された基板１０を急速冷却している。第３隔離ゾーン１１３は、予備冷却部１２３に位置する部分と外気に露出した部分とで構成されており、ここで基板１０が所定の冷却速度で冷却される。
【００４７】
基板１０には、幅が数ｍｍから数十ｍｍ程度の長尺の帯状に加工されたものが用いられる。基板１０の厚さは、例えば３０μｍから３００μｍ程度に薄く加工されており、このように薄くすることで熱容量を小さくしている。本実施形態の連続薄膜形成方法および装置１００では、熱容量を小さくするとともに表面積を大きくすることにより、基板１０の急速加熱及び急速冷却を可能としており、基板１０上に高速かつ連続的に薄膜を形成することが可能となっている。
【００４８】
基板１０の断面の寸法として幅をｂ、厚さをｄとしたとき、ｂｄ／（２（ｂ＋ｄ））が０．０１５以上０．１５以下となるように寸法ｂ、ｄを決定するのがよい。これにより、基板１０に好適な熱容量を持たせることができる。基板１０に石英ガラス基板を用いた場合には、加熱部１２０に熱ＣＶＤを用いてこれを１２００度以上に加熱することができる。
【００４９】
基板１０に用いられる石英ガラス基板は、例えば加熱炉内において石英からなる母材ガラスの両面から同じ流速のガス流を形成して母材ガラスを延伸することにより形成することができる。このような方法により、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（例えば国際公開番号WO/2006/070527参照）。
【００５０】
基板１０は、その側面の平均表面粗さが２００ｎｍ以下に形成されるのがよく、好ましくは１０ｎｍ以下に形成されるのがよい。これにより、捻れ等に対する基板１０のフレキシブル性が高まり、破断や破壊等が発生し難くなる。
【００５１】
図１に示す実施例では、基板１０が供給ドラム１３１から供給される構成としているが、基材を線引きして帯状ガラス基板を形成する線引炉から直接基板１０を供給するように構成してもよい。また、基板１０として被覆が施されたガラス基板を用いる場合には、隔離部１１０に供給する前に被覆を除去する工程と、薄膜が形成された基板１０を隔離部１１０から引き出した後に再度被覆を施す工程を追加してもよい。基板１０が隔離部１１０の内部を移動する速度を制御するために、本実施例では移動速度制御部１３３を設け、これにより供給ドラム１３１及び巻き取りドラム１３２の回転速度を制御している。
【００５２】
本実施形態の連続薄膜形成装置１００を用いて、基板１０上に所定の薄膜を形成する本実施形態の連続薄膜形成方法について説明する。以下では、一例として石英ガラスからなる基板１０上にシリコン薄膜を形成する方法を説明する。この場合、供給口１１６からは、反応ガス１１としてＨ２ガスとＤＣＳガス（ジクロロシラン：ＳｉＨ２Ｃｌ２）との混合ガスが所定の流速で供給される。
【００５３】
連続薄膜形成装置１００では、基板１０が移動速度制御部１３３の制御により所定の速度で隔離部１１０の内部を移動するとともに、ガス流量制御部１４３の制御により反応ガス１１が隔離部１１０の内部を所定の流速で供給される。まず、隔離部１１０の第１隔離ゾーン１１１を移動中の基板１０は、熱源１２４からの加熱によって所定の温度まで急速加熱される。また、反応ガス１１も第１隔離ゾーンを流れる間に加熱される。
【００５４】
次に、第２隔離ゾーン１１２に移送された基板１０は、サセプタ１２５からの加熱によりさらに温度が上昇し、最高温度が１０５０℃から１３００℃位に達する。このような高温により、基板１０上で反応ガス１１が分解されてシリコン薄膜が形成される。第２隔離ゾーン１１２の移動方向の長さは７０ｍｍ前後とするのがよく、基板１０が第２隔離ゾーン１１２を０．１秒以上０．５秒以下、より好ましくは０．２秒程度の短時間で移動するのがよい。基板１０上に形成される薄膜の厚さは、第２隔離ゾーン１１２の長さと、基板１０が隔離部１１０内を通過する速度と、反応ガス１１の流速によって調整することができる。
【００５５】
基板１０は、第２隔離ゾーン１１２を通過して第３隔離ゾーン１１３に移送されると、ここで急速冷却される。本実施例では、第３隔離ゾーン１１３が予備冷却部１２３の内部に位置する領域と外気で冷却される領域から構成されている。予備冷却部１２３の内部に位置する領域では、温度環境を９００℃以下に制御するのが好ましい。
【００５６】
あるいは、第２隔離ゾーン１１２において基板１０を１１７５℃以上に加熱しかつ０．２秒以下の期間１０５０℃以上に維持し、第３隔離ゾーン１１３では平均１００００℃／秒以上の冷却速度で９００℃以下に冷却するようにしてもよい。いずれの場合でも、基板１０が第１隔離ゾーン１１１、第２隔離ゾーン１１２及び第３隔離ゾーン１１３の全長を６秒以下で通過するように制御するのが好ましい。
【００５７】
上記の本実施形態の連続薄膜形成方法によれば、基板１０の厚さを薄くして熱容量を小さくすることにより、第１隔離ゾーン１１１及び第２隔離ゾーン１１２において基板１０を急速加熱することが可能となっている。同様に、第３隔離ゾーン１１３では、基板１０を急速冷却することが可能となっている。これにより、基板１０上に３０ｎｍから５００ｎｍ程度のシリコン薄膜を形成することが可能となる。
【００５８】
第２隔離ゾーン１１２において高温で分解した反応ガス１１から生成されたシリコンは、基板１０の表面上に堆積した直後に第３隔離ゾーン１１３で急速冷却される。これにより、シリコンが基板１０上でマイグレーションするのを抑制して基板１０上に定着するようにしている。これに対し、第３隔離ゾーン１１３における冷却速度が遅く基板１０が高温状態に持続されると、基板１０上でシリコンパーティクルの生成が促進されるため、表面性のよい薄膜を生成するのが困難になる。
【００５９】
第３隔離ゾーン１１３において、基板１０を好適な温度勾配で冷却することにより、基板１０上のシリコンを結晶化させることができる。すなわち、基板１０の余熱を所定時間以上所定の高温に維持することにより、シリコンの結晶化を促進してポリシリコンを形成することができる。これに対し、基板１０の温度低下が速く余熱が小さい場合には、結晶化されずにアモルファスシリコンとなる。
【００６０】
隔離部１１０の内部を移動する間の基板１０の温度変化の一例を、模式的に図２に示す。第１隔離ゾーン１１１において基板１０が加熱される温度Ｔ１は、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、第１隔離ゾーン１１１の長さ（および予備冷却部１２１の長さ）によって異なる。また、第２隔離ゾーン１１２における最高温度Ｔ２は、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、および第２隔離ゾーン１１２の長さ（およびサセプタ１２５の長さ）によって異なる。さらに、第３隔離ゾーン１１３における基板１０の冷却速度ＤＴ３は、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、および予備冷却部１２３に位置する第３隔離ゾーン１１３の長さによって異なる。
【００６１】
従って、隔離部１１０の各ゾーンの長さ、とりわけ第２隔離ゾーン１１２の長さを好適に設定し、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、及び反応ガス１１の流速を適切に制御することにより、基板１０上に所望の厚さの薄膜を形成することができる。第３隔離ゾーン１１３における基板１０の冷却速度ＤＴ３は、予備冷却部１２３の長さによって調整できる。また、基板１０の密度や比熱等の材質によっても薄膜の厚さや品質等が変化することから、これらの影響を反映して基板１０の移動速度等を制御するのがよい。
【００６２】
さらには、基板１０上に形成される薄膜の品質が第２隔離ゾーン１１２における最高温度Ｔ２の影響を受けることから、温度制御部１２６を制御して熱源１２４からの加熱量を調整することで、最高温度Ｔ２を好適な高さに維持するのがよい。そして、基板１０上に形成される薄膜の厚さを、基板１０の移動速度および反応ガス１１の流速で調整するのがよい。基板１０の移動速度および反応ガス１１の流速は、それぞれ移動速度制御部１３３及びガス流量制御部１４３により制御される。反応ガス１１の流速は、平均で０．５ｍ／秒以上となるように供給されるのがよい。
【００６３】
基板１０の移動速度は、供給ドラム１３１に巻き付けられた基板１０の長さによって変化する。供給ドラム１３１への巻き付け長さが１０ｍ程度の場合には、２５〜５００ｍｍ／秒前後の移動速度が望ましい。また、基板１０の巻き付け長さが１００ｍから数十ｋｍの場合には、１〜１０ｍ／秒、巻き付け長さが１００ｋｍ以上の場合には、１０〜５０ｍ／秒以上の移動速度が好ましい。
【００６４】
上記説明のように本実施形態の連続薄膜形成方法によれば、基板１０を第１隔離ゾーン１１１で予備加熱したのち第２隔離ゾーン１１２で極短時間だけ高温に加熱し、さらに第３隔離ゾーンで急速冷却することにより基板１０上に薄膜を形成している。これにより、高速で連続的に薄膜を基板１０上に形成できるだけでなく、パーティクルの生成や不純物の混入を大幅に低減することができ、平滑度の高い緻密な薄膜を備えた基板１０を提供することが可能となる。基板１０が隔離部１１０を移動する時間、すなわち第１隔離ゾーン１１１から第３隔離ゾーンまでを移動する時間は、１秒以下とするのが好ましい。また、反応ガス１１の濃度は、例えば３ｍｏｌ％以上とすることにより、良好な成膜速度を得ることができる。さらに、反応ガス１１は、Ｈ２ガスに少なくとも２mol％以上２０mol％以下のＤＣＳガスを混合しているのがよい。
【００６５】
つぎに、基板１０の温度履歴を、周囲温度等の条件から算出する方法を以下に説明する。移動する基板１０の熱移動と基板１０の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−Ｔ０） （１）
ここで、
Ｔ：基板温度（℃）
Ｔ０：周囲ガス（反応ガスまたは外気）の温度（℃）
ｄ：基板厚さ
ｂ：基板幅
ρ：基板の密度（石英では、２．２×１０３ｋｇ／ｍ３）
Ｃｐ：基板の比熱（石英では、１．０５×１０３Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
ｖ：基板の移動速度
ｈ：周囲ガスへの対流熱伝達率（２０００ｗ／ｍ２・Ｋ）
Ｚ：基板の移動方向の位置
となる。
【００６６】
基板１０の移動方向の位置Ｚを微小長さΔＺで刻んだとき、位置Ｚｉにおける基板温度Ｔｉと位置Ｚｉ−１における温度Ｔｉ−１との関係は、式（１）より次の差分式で表される。
Ｔｉ＝（Ｔｉ−１−Ｔ０）
×ｅｘｐ［−２（ｄ＋ｂ）／（ｄ×ｂ×ρ×Ｃｐ）×ｈ×ΔＺ/ｖ)］＋Ｔ０ （２）
【００６７】
基板１０に石英ガラスを用い、反応ガス１１としてＨ２ガスとＤＣＳガスとの混合ガスを用いる上記の実施例では、基板１０の厚さｄ及び幅ｂをそれぞれ０．００００９、及び０．０００８８ｍ、とし、基板１０の移動速度ｖを０．４ｍ／秒、周囲ガスである反応ガス１１の第２隔離ゾーン１１２での出口側温度を１２５０℃、第３隔離ゾーン１１３の予備冷却部１２３に対応する位置の平均温度を５００℃、第３隔離ゾーン１１３の外気に露出した部分の温度を２５℃として評価することができる。
【００６８】
上記（２）式において、基板１０の形状に依存するのはｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の部分であり、これは（単位長さあたりの体積）／（単位長さあたりの表面積）に相当する。その他の部分は、反応ガス１１の条件及び加熱条件で決定される因子であり、それぞれの値が同じであれば、基板１０は同等の温度履歴を受けることになる。対流熱伝達係数ｈは、反応ガス１１の種類とその流速によって決定される。
【００６９】
上記実施例では、基板１０の片面のみに薄膜を形成する場合について説明したが、これに限らず、基板１０の両面に反応ガス１１を供給するように構成することで、基板１０の両面に薄膜を形成させることも可能である。
【００７０】
本発明の連続薄膜形成方法および装置の別の実施例を、図３を用いて以下に説明する。ここでは、図３に示す連続薄膜形成装置２００を用いて基板１０上にシリコン薄膜を形成した結果を示し、これに基づいて各成膜条件を説明する。
【００７１】
連続薄膜形成装置２００は、加熱炉２０１内に石英製の隔離部（反応管）２１０を設置し、隔離部２１０の周囲に熱源としての赤外線発生装置２２４を配置するとともに、隔離部２１０の内部にカーボン製のサセプタ（赤外線吸収体）２２５を配置している。図３では、サセプタ２２５の長さ、赤外線発生装置２２４の長さ、加熱炉２０１の長さ（＝隔離部２１０の長さ）をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とし、第１隔離ゾーン２１１、第２隔離ゾーン２１２、第３隔離ゾーン２１３のそれぞれの長さをＬ４、Ｌ５、Ｌ６としている。
【００７２】
サセプタ２２５の長さＬ１は、ライン速度（基板１０の移動速度）にもよるが、１ｍ／ｓ以下の場合は１０〜５００ｍｍ程度に設定するのがよく、ライン速度により比例的に長くなる。赤外線発生装置２２４の長さＬ２は、サセプタ２２５の長さＬ１の３倍から２０倍（ライン速度によって変化）とし、加熱炉２０１の長さＬ３は、炉の断熱設計によるがＬ２＋（１００〜５００ｍｍ）とするのがよい。また、第２隔離ゾーン２１２の長さＬ５は、サセプタ２２５の長さＬ１の０．８倍から１．２倍程度とし、第３隔離ゾーン２１３の長さＬ６は、第２隔離ゾーン２１２の長さＬ５以上でサセプタ２２５の長さＬ１の８倍以下とするのがよく、膜厚を大きくする場合や残留応力のばらつきや欠陥を低減したい場合など、徐冷が必要な場合にはさらに長くする必要がある。
【００７３】
より好ましくは、ライン速度が１ｍ／ｓ以下の場合、成膜する厚さにもよるが、サセプタ２２５の長さＬ１を４０〜２００ｍｍ、程度に設定するのがよく、赤外線発生装置２２４の長さＬ２をサセプタ２２５の長さＬ１の４倍から１２倍、第３隔離ゾーン２１３の長さＬ６を、第１隔離ゾーン２１１の長さＬ４と等しいかより長くするのがよい。
【００７４】
また、第３隔離ゾーン２１３をさらに、急冷するゾーンと徐冷するゾーンとに分けた構成としてもよい。急冷ゾーンでは、冷却用のガスを供給することでさらに急速冷却することが可能となる。徐冷ゾーンでは、ガスの流速が遅くなるように該ゾーンの断面積を大きくするか、あるいは急冷ゾーンの終端部に排気口を設けてガスを排気することで、流速を下げて冷却速度を変えることができる。
【００７５】
隔離部２１０の内部には、反応ガスとしてＨ２にＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを９ｍｏｌ％混合した混合ガスを、平均流速１．３ｍ／秒で供給した。図３（ｂ）に、図３（ａ）のＡ−Ａ’線方向の断面図を示す。図３（ｂ）では、サセプタ２２５と基板１０との位置関係が模式的に示されている。また、図３（ｃ）に、隔離部２１０の別の例を示す。図３（ｂ）又は（ｃ）に示すように、基板１０はサセプタ２２５と非接触の状態で移動されてもよく、あるいはサセプタ２２５に接触した状態で移動されてもよい。基板１０上に形成される薄膜は、ライン速度を一定に制御できるので、長手方向の膜厚分布が十分小さくこれを無視することができるが、基板１０の幅が広くなるにつれて幅方向の膜厚分布が無視できなくなる。幅方向の膜厚分布を抑制するためには、基板１０の幅方向における隔離部２１０の内径を、基板１０の幅の１．２〜１０倍程度に大きくするのが望ましい。より好ましくは、隔離部２１０の内径を基板１０の幅の２〜５倍程度にするのがよい。
【００７６】
基板１０として、厚さ９０μｍ、幅０．８８ｍｍの断面矩形形状を有する十分に長い石英製長尺体を作製し、これを隔離部２１０に対する相対速度４００ｍｍ／秒でその内部を移動させた。赤外線発生装置２２４の出力を制御し、サセプタ２２５が配置されている第２隔離ゾーンのガス温度が最高点で１３００℃、出口側端部で１２５０℃となるように調整した。
【００７７】
図３に示した連続薄膜形成装置２００の各寸法の一実施例として、隔離部２１０の内径及び長さをそれぞれ６ｍｍ及び３５０ｍｍとし、サセプタ２２５の長さＬ１＝４５ｍｍ、赤外線発生装置２２４の長さＬ２＝３００ｍｍ、加熱炉２０１の長さＬ３＝３５０ｍｍ、第１隔離ゾーン２１１の長さＬ４＝１５０ｍｍ、第２隔離ゾーン２１２の長さＬ５＝５０ｍｍ、第３隔離ゾーン２１３の長さＬ６＝１５０ｍｍとする。この条件で基板１０が各隔離ゾーンに滞留する時間を算出すると、第２隔離ゾーン２１２での滞留時間が０．１２５秒、第３隔離ゾーン２１３での滞留時間が０．３７５秒となる。また、（２）式を用いて基板１０の温度履歴算出すると、第２隔離ゾーン２１２で最高１１９７℃まで加熱され、１０５０℃以上の状態が０．０７５秒間持続している。第３隔離ゾーン２１３の出口では９００℃まで冷却されており、第３隔離ゾーン２１３における平均冷却速度は１２０００Ｋ／秒となる。
【００７８】
本発明の連続薄膜形成方法および装置の別の実施例を、図４を用いて以下に説明する。図４に示す連続薄膜形成装置３００は、隔離部（反応管）３１０の導入口３１４側に反応ガス１１を供給するための供給口３１６ａに加えて第２の供給口３１６ｂを有しており、引出口３１５側にも反応ガス１１を回収するための排気口３１７ａに加えて第３の供給口３１６ｃを有している。また、供給口３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、および排気口３１７ａが設けられている位置の隔離部３１０の断面積が、第１〜３隔離ゾーン３１１〜３１３の位置の断面積より小さくなるように、隔離部３１０の管の形状を細くしている。
【００７９】
連続薄膜形成装置３００では、供給口３１６ｂおよび３１６ｃから隔離部３１０の内部に不活性ガス（たとえばＡｒ）を供給しており、導入口３１４および引出口３１５の近傍を不活性ガスでシールドするようにしている。これにより、反応ガス１１が導入口３１４および引出口３１５から外部に漏れるのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止している。供給口３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、および排気口３１７が設けられている位置の隔離部３１０の断面積を小さくすることにより、導入口３１４および引出口３１５の近傍を不活性ガスで高圧にすることができ、これにより反応ガス１１が導入口３１４および引出口３１５から漏洩するのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止することができる。
【００８０】
隔離部３１０内部の圧力分布の一例を、模式的に図５に示す。供給口３１６ａから供給された反応ガス１１が排気口３１７の方向に流れるように、供給口３１６ａの圧力Ｐ２を排気口３１７の圧力Ｐ３より高くしている。圧力差（Ｐ２−Ｐ３）は、反応ガス１１の流速が所定の大きさとなるように決定される。また、供給口３１６ｂの圧力Ｐ１は圧力Ｐ２より高く設定されており、これにより供給口３１６ａから供給される反応ガス１１が、供給口３１６ｂから供給される不活性ガス（ここではＡｒとする）によってシールドされ、導入口３１４から外部に漏出しないようにしている。さらに、供給口３１６ｃから圧力Ｐ３より高い圧力Ｐ４で不活性ガスを供給することにより、反応ガス１１が引出口３１５から外部に漏出しないように、不活性ガスでシールドしている。
【００８１】
（シリコン薄膜の形成例及びその評価）
上記実施例の連続薄膜形成装置２００を用いて、基板１０上にシリコン薄膜を作製して評価した結果を以下に説明する。上記条件を適宜変更して複数種類のシリコン薄膜を形成し、これらを比較検討した結果を表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、表面粗さがＪＩＳ規定のＲｍｓ値で５ｎｍ以上のものを不合格とした。また、ラマンスペクトル測定により結晶性を評価し、ポリシリコン膜と判定できないものを不合格とした。このように、以下では表面粗さ及び結晶性評価の両面から好適なポリシリコン薄膜を判定している。
【００８２】
基板１０に用いた石英は、密度ρを２．２×１０３ｋｇ／ｍ３、比熱Ｃｐを１．０５×１０３Ｊ／ｋｇ・Ｋとし、これを用いて基板１０の温度と冷却速度を計算した。また、第２隔離ゾーン２１２の温度として出口側の温度を用いており、第２隔離ゾーン２１２の温度にかかわらず第３隔離ゾーン２１３の温度を５００℃、外気の温度を２５℃とした。また、基板１０の幅が所定値を超えるものについては、隔離部２１０の内側断面積を内径６ｍｍのものと同等にして、基板１０を内部に挿通可能となるように隔離部２１０の断面形状を変更して薄膜形成を行った。さらに、反応ガス１１の構成及び供給時の流速は、いずれの場合も５０ｎｍ以上の膜厚が得られるように適宜調整している。なお、表１では第２隔離ゾーン２１２を第一領域、第３隔離ゾーン２１３を中間領域と表記している。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１の評価結果より、第２隔離ゾーン２１２の温度を一定とした場合、好適なポリシリコン薄膜が生成されるか否かは基板１０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、第２隔離ゾーン２１２の温度と長さを一定とした場合には、基板１０の移動速度を制御することにより、好適なポリシリコン薄膜を形成することができる。
【００８５】
さらに条件を変えてシリコン薄膜を形成したときの評価結果を表２に示す。成膜条件は表１と同じとしている。表２では、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種に分類して表示している。
【００８６】
【表２】
【００８７】
表２の結果より、成膜条件を適切に変更することで、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、あるいはポリシリコンのいずれのシリコン薄膜でも生成可能であることがわかる。また、表１に示したサンプル番号１４と表２に示したサンプル番号３３，３４の結果から、第２隔離ゾーン（表１，２の第一領域）２１２において１０５０℃以上の滞留時間が０．２秒より長くなると、表面粗さＲｍｓが悪化することがわかる。これより、薄膜形成工程においては、１０５０℃以上の温度での滞留時間を０．２秒以下に短縮するのが望ましい。また、１００ｎｍ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１００ｎｍ以上の連続成膜が可能となるように、成膜速度を５００ｎｍ／秒以上とするのが望ましい。
【００８８】
図６及び図７は、基板厚さｄ、基板幅ｂ、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６は、基板厚さｄに対して基板幅ｂが十分大きい場合に、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値を一定としたときの基板厚さｄの基板幅ｂに対する依存性を示すグラフである。また図７は、昇温レートと基板厚さｄとの関係を示すグラフである。図６から明らかなように、基板幅ｂが１０ｍｍ程度以上の場合には、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が所定の値となる基板厚さｄは、基板幅ｂに対しほぼ一定値となる。すなわち、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が所定の値となる基板厚さｄは、基板幅ｂが大きくなってもほとんど変わらないことがわかる。（２）式より、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値が同じであれば同じ温度履歴となることから、基板幅ｂの大きさに依存することなく、基板はほぼ同じ温度履歴をたどることになる。
【００８９】
図７には、第２隔離ゾーン２１２が温度１２５０℃、長さ５０ｍｍで、基板１０が第２隔離ゾーン２１２に入るときの基板温度を５００℃としたときの、基板厚さｄと昇温レートとの関係が示されている。この関係は、基板幅を１０ｍｍとし昇温レートを基板厚さｄのみの関数として算出したものである。図７に示すグラフから、例えば基板厚さｄが３０μｍの場合には昇温レートが３５０００Ｋ／ｓｅｃとなり、基板厚さｄが３００μｍの場合には昇温レートが３５００Ｋ／ｓｅｃとなることがわかる。
【００９０】
基板厚さｄが３００μｍ以上の場合は、０．２ｓｅｃ後の昇温レートが数千℃／ｓｅｃ以下となり、成膜時間０．２ｓｅｃで緻密な薄膜を得るには基板温度が低すぎて好ましくない。このときのｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値は０．１５となる。また、基板１０の強度の面から、基板厚さｄが３０μｍ以下では破断する可能性が高くなり好ましくない。このときのｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値は０．０１５となる。よって、基板の形状から決まるｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値は、０．１５から０．０１５の間が望ましい。
【００９１】
図８に、反応ガス１１の平均流速が１．３ｍ／ｓｅｃのときのＤＣＳ濃度と成膜速度との関係を示す。同図において、ＤＣＳ濃度が略２ｍｏｌ％のときに変曲点が見られることから、高速成膜のためにはＤＣＳ濃度を２ｍｏｌ％以上とするのが望ましいことがわかる。
【００９２】
上記の薄膜形成装置２００を用いた実施例において、基板１０上に形成されたポリシリコン薄膜に混入された不純物の膜厚方向の分布の一例を図９に示す。同図に示すように、シリコン以外の元素は、膜厚方向の両端で増加傾向がみられるものの十分に低減されていることがわかる。本発明の薄膜形成方法および装置によれば、不純物を十分に低減した薄膜を基板上に形成することが可能となっている。
【００９３】
上記では、基板及び反応ガスを加熱するのに熱ＣＶＤを用いた実施例を示したが、これに限らず例えばプラズマＣＶＤあるいはその他の加熱手段を用いてもよい。
【００９４】
本発明のガラス基板の製造方法は、上記説明の本発明の連続薄膜形成方法及び装置を用いて製造された薄膜を有する基板を、所定の長さに複数本切断してこれを幅方向に順次接続していく。これにより、所望の幅のガラス基板を作製することができる。また、このようにして作製されたガラス基板上に半導体装置を形成することができる。
【００９５】
上記説明のように、本発明によれば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の形成方法、形成装置、薄膜付き基板及び半導体装置を提供することができる。熱容量が小さく表面積が大きい薄い基板を、反応ガスを充満させた隔離部内を短時間で通過させて急速加熱、急速冷却することにより、基板上に所望の薄膜を高速で連続的に形成することが可能となる。基板の熱容量、表面積、移動速度、及び隔離部の温度、ガス流速を制御することにより、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、高速に成膜した場合でも長手方向の膜厚分布の発生を十分低減することができる。
【００９６】
本発明の連続薄膜形成方法により薄膜が形成された基板は、薄いフィルム状に形成されることから、これを用いた製品の軽量化を図るとともに、変形容易といっ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】
【００９７】
【図１】本発明の実施形態にかかる連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】隔離部の内部を移動する間の基板の温度変化を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる連続薄膜形成装置の別の実施例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる連続薄膜形成装置のさらに別の実施例を示す概略構成図である。
【図５】さらに別の実施例の隔離部内の圧力変化を模式的に示す図である。
【図６】基板厚さに対して基板幅が十分大きい場合のｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の変化を示すグラフである。
【図７】昇温レートと基板の厚さとの関係を示すグラフである。
【図８】ＤＣＳ濃度とシリコン薄膜の成膜速度との関係を示すグラフである。
【図９】薄膜に混入された不純物の膜厚方向の分布の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１０ 基板
１１ 反応ガス
１００、２００、３００ 連続薄膜形成装置
１１０、２１０、３１０ 隔離部
１１１、２１１、３１１ 第１隔離ゾーン
１１２、２１２、３１２ 第２隔離ゾーン
１１３、２１３、３１３ 第３隔離ゾーン
１１４、３１４ 導入口
１１５、３１５ 引出口
１１６、３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ 供給口
１１７、３１７ 排気口
１２０、３２０ 加熱部
１２１、３２１ 予備加熱部
１２２、３２２ 本加熱部
１２３、３２３ 予備冷却部
１２４、３２４ 熱源
１２５、２２５、３２５ サセプタ
１２６ 温度制御部
１３１ 供給ドラム
１３２ 巻き取りドラム
１３３ 移動速度制御部
１４１、３４１ａ 反応ガス供給管
３４１ｂ、３４１ｃ 不活性ガス供給管
１４２、３４２ 反応ガス回収管
１４３、３４３ ガス流量制御部
２０１ 加熱炉
２２４ 赤外線発生装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幅に対して厚さが小さく長手方向に十分に長い帯状の基板上に所定の薄膜を連続して形成する連続薄膜形成方法等の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）等の緻密なシリコン薄膜を形成するのに好適な連続薄膜形成方法等の技術に関する。
【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、またはポリ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、ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成する技術が注目されている。ポリシリコン膜を形成する従来技術においては、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ポリシリコンに変換している。
【０００４】
通常、ガラス基板上にアモルファスシリコンを形成するのに、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、原料ガスのシラン（ＳｉＨ４）、シランジシラン（ＳｉＨ６）をグロー放電により分解し、アモルファスシリコン薄膜を基板上に成長させている。基板には結晶シリコン、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、この方式では、大面積のものを作成することができるといったメリットがある。
【０００５】
ガラス基板上にポリ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ポリシリコン膜を得ることができる。
【０００６】
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、プラズマＣＶＤ法、プラズマ法等の処理は通常４００℃程度の温度で行われ、脱水素処理も通常４００℃〜５００℃の温度下で６０分程度行われる。
【０００７】
上記のように、従来のポリシリコン膜を形成する処理は最高でも５００℃程度で行われるため、基板材料として材料費の安い多成分ガラスなどを使用することができ、基板材料の選択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】
【０００８】
しかしながら、シラン等を原料とする成膜プロセスは、減圧プロセスを伴うためバッチプロセスとなり、既存の装置では成膜速度を大幅に高めて生産性を改善することは望めない。また、成膜速度を上昇させると、多くの場合膜厚が位置によって変化して膜厚分布が発生していた。このような事情から、生産性を向上させるには大型のガラス基板を用いるしかなく、それには大型の設備を導入する必要があり、大規模な設備投資が必要となっている。生産性を上げてコスト競争に勝ち抜くためには、次々と大型装置への更新を進めて投資競争を行っていく必要がある。成膜プロセスに用いる装置は真空装置であるためコストが高く、また成膜速度を大幅に向上させることが期待できないといった課題がある。
【０００９】
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、結晶粒径を大きくしてポリシリコンに変換するための熱アニールやレーザアニールの処理の前に、脱水素プロセスを長時間行う必要があった。この脱水素プロセスは、例えば６０分にも及ぶ処理時間が必要となる等、生産性に大きな問題があった。
【００１０】
一方、従来の成膜プロセスは低温プロセスのため安価な基板が使えるが、その半面バッチプロセスのため基板単独で自立できる強度が必要であり、そのためには所定の厚さが必要となる。また、従来の方法で成膜された基板では、その表面を研磨する必要がある。このような事情から、コスト的に石英ガラスのような高価なガラス基板を使用することはできない。特に、基板を大型化するためには、基板のコストがなおさら問題となる。一方、安価な基板を用いる場合には、基板のアルカリ金属やアルカリ土類金属等の拡散を防ぐために、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）のバリア膜を成膜する必要があり、より多くの工程が必要となる。
【００１１】
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、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の形成方法、形成装置、薄膜付きガラス基板及び半導体装置素子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】
【００１２】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の第１の態様は、断面の厚さをｄとし幅をｂとしたときｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が0.015以上0.15以下となるように形成された帯状の基板を、予備加熱部に設けられた第１隔離ゾーンと本加熱部に設けられた第２隔離ゾーンと冷却部に設けられた第３隔離ゾーンとを有する隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から連続的に導入するとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から反応ガスを加圧して供給し、前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン内を通過させて所定の温度まで急速加熱し、前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン通過後に前記第２隔離ゾーン内を通過させてさらに加熱して前記反応ガスを前記基板上に成膜させ、前記基板および前記反応ガスを前記第２隔離ゾーン通過後に前記第３隔離ゾーン内を通過させて前記基板を所定の温度勾配で急速冷却することにより、前記基板上に前記反応ガスの所定の成分からなる薄膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
このように、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、基板を急速加熱、急速冷却することが可能になる。これにより、帯状の薄い基板を隔離部内を通過させるだけで基板上に反応ガスの所定の成分からなる緻密な薄膜を連続的に形成することが可能となる。
【００１４】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスの前記隔離部内の圧力は、前記隔離部内の不純物が所定値以下となるように加圧されることを特徴とする。反応ガスを加圧することで隔離部内への不純物の混入を抑制し、これにより基板上に形成される薄膜に不純物が混入するのを低減することができる。
【００１５】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスの前記隔離部内の圧力を前記隔離部外の圧力よりも高くし、前記供給口の圧力を前記第３隔離ゾーン側に設けられた排気口の圧力よりもさらに高くすることにより、前記隔離部内に外気が侵入するのを防止することを特徴とする。隔離部内の圧力をこのように設定することにより、基板上に形成される薄膜に不純物が混入するのを低減することができる。
【００１６】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板は、前記第１隔離ゾーン、第２隔離ゾーン及び第３隔離ゾーンを６秒以下で通過するように制御されることを特徴とする。隔離部を高速に通過させることにより、基板上に高品質な薄膜を形成することができる。
【００１７】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記薄膜は、多結晶構造を有していることを特徴とする。アニール処理を行うことなく多結晶構造の薄膜を形成することが可能となる。
【００１８】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板上に形成する前記薄膜の厚さを、前記第２隔離ゾーンの長さと、前記基板が前記隔離部内を通過する速度と、前記反応ガスの流速によって調整することを特徴とする。これにより、基板上に形成される薄膜を所望の厚さに調整することができる。
【００１９】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第２隔離ゾーンの幅は、前記基板の幅の２倍以上５倍以下であることを特徴とする。基板幅を第２隔離ゾーンの幅より十分小さくすることで、基板の幅方向に均一な薄膜を形成することができる。
【００２０】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記予備加熱部及び前記本加熱部は、熱ＣＶＤにより構成されていることを特徴とする。熱容量の小さな薄い基板を用いるため急速加熱、急速冷却が可能であり、例えば１２００℃以上の高温が実現できる熱ＣＶＤ処理を適用することができる。
【００２１】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記予備加熱部及び前記本加熱部は、プラズマＣＶＤにより構成されていることを特徴とする。熱容量の小さな薄い基板を用いるため急速加熱、急速冷却が可能であり、プラズマＣＶＤ処理を適用することが可能である。
【００２２】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板は、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスであることを特徴とする。基板厚さをこのように薄くすることにより、基板の急速加熱、急速冷却が可能となる。
【００２３】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記基板を厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスで形成し、前記反応ガスとしてＨ２ガスとＤＣＳガスとの混合ガスを用いて前記基板上にシリコン薄膜を形成することを特徴とする。基板上に水素を含有しない表面粗さの小さい緻密なシリコン薄膜を形成することができ、脱水素処理やアニール処理等の長時間を要する処理を省略することができる。
【００２４】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスは、Ｈ２ガスに少なくとも２mol％以上２０mol％以下のＤＣＳガスを混合していることを特徴とする。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。ＤＣＳ濃度が２ｍｏｌ％を境に成膜速度が速まる。また、ＤＣＳ濃度が２０ｍｏｌ％以上となると、成膜されたシリコン薄膜がエッチングされてしまうことがある。そこで、反応ガスを上記のような構成とするのが好ましい。
【００２５】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記反応ガスは、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。反応ガスの流速の増加に伴い成膜速度は高くなる。これは、高温雰囲気中の成膜のため所定流速以上で反応ガスを供給すると基板との境界に形成される層の厚さが減少し、これにより基板上により多くのシリコンが供給されるようになるためである。所定の流速に達するとシリコンの供給量が飽和し、反応ガスの流速と成膜速度との相関は弱くなる。
【００２６】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１５０℃以上１４００℃以下に加熱して０．１秒以上０．５秒以下で通過し、前記第３隔離ゾーンの温度を９００℃以下として前記基板を冷却することで前記シリコン薄膜を形成することを特徴とする。このような処理により、好適な薄膜を形成することができる。
【００２７】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１７５℃以上に加熱しかつ０．２秒以下の期間１０５０℃以上に維持し、前記第３隔離ゾーンでは平均１００００℃／秒以上の冷却速度で９００℃以下に冷却することにより前記シリコン薄膜を形成することを特徴とする。このような処理により、より高品質な薄膜を形成することができる。
【００２８】
この発明にかかる連続薄膜形成方法の他の態様は、前記シリコン薄膜は、多結晶構造を有するポリシリコン薄膜であることを特徴とする。アニール処理等を行うことなく、ポリシリコン薄膜を形成することができる。
【００２９】
この発明にかかるガラス基板の製造方法の第１の態様は、上記第１乃至第１６の態様のいずれか１つの連続薄膜形成方法により製造された前記基板を所望の長さに切断して幅方向に接続することにより、前記薄膜を備えた板状基板を作製することを特徴とする。
【００３０】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の第１の態様は、帯状の基板を予備加熱する予備加熱部と、前記予備加熱部で加熱された前記基板をさらに加熱する本加熱部と、前記本加熱部で加熱された前記基板を冷却する冷却部とを備えて前記基板上に所定の反応ガスの成分からなる薄膜を形成する連続薄膜形成装置であって、前記予備加熱部に配置された第１隔離ゾーンと前記本加熱部に配置された第２隔離ゾーンと前記冷却部に配置された第３隔離ゾーンとを有する隔離部をさらに備え、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から前記基板を連続的に導入して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで順次通過させて引出口から引き出すとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から加圧された反応ガスを供給して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで所定の流速で送流して排気口から排出することを特徴とする。
【００３１】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記導入口と前記供給口との間に設けられた第２の供給口と、前記排気口と前記引出口との間に設けられた第３の供給口と、をさらに備え、前記供給口の圧力よりも高い圧力で前記第２の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給し、前記排気口の圧力よりも高い圧力で前記第３の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給していることを特徴とする。前記供給口から排出口に向けて流れる反応ガスを挟むように、第２の供給口および第３の供給口から不活性ガスを供給する構成とすることで、反応ガスが外部に漏出するのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止することができる。
【００３２】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、前記導入口から前記供給口までの間の前記隔離部の断面積および前記排気口から前記引出口までの間の前記隔離部の断面積は、少なくとも前記第２隔離ゾーンの断面積より小さくして前記基板との隙間を小さくしていることを特徴とする。導入口近傍の断面積及び引出口近傍の断面積を小さくして基板との隙間をできるだけ狭めることにより、反応ガスが外部に漏出するのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止することができる。
【００３３】
この発明にかかる連続薄膜形成装置の他の態様は、上記の連続薄膜形成装置において、帯状基板を供給する手段と成膜された基板を巻き取る手段が設けられていることを特徴とする。
【００３４】
この発明にかかるガラス基板の第１の態様は、上記連続薄膜形成装置を用いて製造された帯状成膜ガラス基板である。
【００３５】
この発明にかかるガラス基板の他の態様は、上記帯状成膜ガラス基板を所望の長さに切断して幅方向に接続して作製されることを特徴とする二次元成膜ガラス基板である。
【００３６】
この発明にかかる半導体装置素子またはモジュールの第１の態様は、上記ガラス基板上に製造されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、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の形成方法、形成装置、薄膜付きガラス基板及び半導体装置素子を提供することが可能となる。熱容量が小さく表面積が大きい薄い基板を、反応ガスを充満させた隔離部内を短時間で通過させて急速加熱、急速冷却することにより、基板上に所望の薄膜を高速で連続的に形成することが可能となる。
【００３８】
また、他の態様によれば、基板の移動速度や加熱温度、反応ガスの流速等を制御することにより、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、高速に成膜した場合でも長手方向の膜厚分布を十分に低減することができる。
【００３９】
さらに、他の態様によれば、石英ガラス上に直接緻密なシリコン薄膜を形成でき、長時間を要する脱水素処理、アニール処理等が不要となる。基板に用いる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用いることから、コストを大幅に低減することができる。特に、線引法で線状ガラス基板を作製して用いる場合には、基板の厚さ、表面粗さ、平坦度等を所望のものにすることができ、研削研摩等の工程を削減してコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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等について説明する。なお、以下の説明では、一例として石英ガラス基板にシリコン薄膜を形成する実施例を用いて説明するが、これに限定されることなく、反応ガスの種類に対応して所定の薄膜を形成することが可能である。また、基板には、石英ガラス基板に限らず、温度条件等に適合する各種ガラス基板やパイレックス（登録商標）等を用いることが可能である。
【００４１】
本発明の実施の形態に係る連続薄膜形成方法及び連続薄膜形成装置を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。図１において、連続薄膜形成装置１００は、隔離部（反応管）１１０と、加熱部１２０と、基板１０を移動させるための供給ドラム１３１および巻き取りドラム１３２とを備えている。供給ドラム１３１に巻き付けられた基板１０は、隔離部１１０の導入口１１４から隔離部１１０の内部に導入され、隔離部１１０の内部で成膜された後引出口１１５から引き出されて巻き取りドラム１３２に巻き取られる。
【００４２】
隔離部１１０は、その内部に基板１０を導入するとともに、反応ガス１１を反応ガス供給管１４１に接続された供給口１１６から吸気して排気口１１７から反応ガス回収管１４２に排気するように構成されている。隔離部１１０の内部では反応ガス１１の成分からなる薄膜が基板１０の表面上に形成されるが、隔離部１１０は反応ガス１１以外の成分が薄膜に混入されるのを抑制している。隔離部１１０は、基板１０上に薄膜を形成するプロセスに対応して、導入口１１４側から引出口１１５側に向けて第１隔離ゾーン１１１、第２隔離ゾーン１１２、および第３隔離ゾーン１１３に区分されている。第１隔離ゾーン１１１は基板１０および反応ガス１１を予備加熱するゾーン、第２隔離ゾーン１１２は基板をさらに高温に加熱して基板１０上に薄膜を形成するゾーン、および第３隔離ゾーン１１３は基板１０を所定の冷却速度で冷却するゾーンである。
【００４３】
隔離部１１０の内部に反応ガス１１以外の例えば大気が混入しないように、隔離部１１０内部の反応ガス１１の圧力を外部（大気圧）より高くしている。また、反応ガス１１が供給口１１６側から排気口１１７側に所定の流速で流れるように、隔離部１１０の内部で反応ガス１１に好適な圧力勾配をもたせている。反応ガス１１の隔離部１１０内での圧力や流速を制御するために、反応ガス供給管１４１にガス流量制御部１４３が設けられている。
【００４４】
隔離部１１０は加熱部１２０の内部に配置され、隔離部１１０内に導入された基板１０および反応ガス１１が加熱部１２０に内蔵された熱源１２４で加熱される構成となっている。熱源１２４からの加熱量を制御する手段として、温度制御部１２６が設けられている。ここでは、加熱部１２０として熱ＣＶＤを用いた例を示しており、熱源１２４からは赤外線が放射される。図１に示す実施例では、加熱部１２０を熱ＣＶＤとしたが、これに限定されず、例えばプラズマＣＶＤ等を用いることも可能である。
【００４５】
加熱部１２０は、隔離部１１０の第１隔離ゾーン１１１、第２隔離ゾーン１１２、および第３隔離ゾーン１１３の区分に対応して、予備加熱部１２１、本加熱部１２２、および予備冷却部１２３に区分されている。予備加熱部１２１では、第１隔離ゾーン１１１に移送されてきた基板１０および反応ガス１１を所定の温度まで急速加熱している。また、本加熱部１２２では、第２隔離ゾーン１１２に移送されてきた基板１０をさらに高温まで加熱することで、基板１０上で反応ガス１１を分解して所定の薄膜を形成している。基板１０をさらに高温まで加熱するために、隔離部１１０内部の第２隔離ゾーンの位置にサセプタ１２５を配置している。サセプタ１２５は、熱源１２４から放射される赤外線によって加熱されて高温となり、これに近接する基板１０を例えば１２００℃以上の温度まで加熱している。第２隔離ゾーンでは、基板温度を１０５０℃以上１３００℃以下に加熱するのがよい。
【００４６】
予備冷却部１２３は、第３隔離ゾーン１１３の一部に対応しており、本加熱部１２２で最高温度まで加熱された基板１０を急速冷却している。第３隔離ゾーン１１３は、予備冷却部１２３に位置する部分と外気に露出した部分とで構成されており、ここで基板１０が所定の冷却速度で冷却される。
【００４７】
基板１０には、幅が数ｍｍから数十ｍｍ程度の長尺の帯状に加工されたものが用いられる。基板１０の厚さは、例えば３０μｍから３００μｍ程度に薄く加工されており、このように薄くすることで熱容量を小さくしている。本実施形態の連続薄膜形成方法および装置１００では、熱容量を小さくするとともに表面積を大きくすることにより、基板１０の急速加熱及び急速冷却を可能としており、基板１０上に高速かつ連続的に薄膜を形成することが可能となっている。
【００４８】
基板１０の断面の寸法として幅をｂ、厚さをｄとしたとき、ｂｄ／（２（ｂ＋ｄ））が０．０１５以上０．１５以下となるように寸法ｂ、ｄを決定するのがよい。これにより、基板１０に好適な熱容量を持たせることができる。基板１０に石英ガラス基板を用いた場合には、加熱部１２０に熱ＣＶＤを用いてこれを１２００度以上に加熱することができる。
【００４９】
基板１０に用いられる石英ガラス基板は、例えば加熱炉内において石英からなる母材ガラスの両面から同じ流速のガス流を形成して母材ガラスを延伸することにより形成することができる。このような方法により、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（例えば国際公開番号WO/2006/070527参照）。
【００５０】
基板１０は、その側面の平均表面粗さが２００ｎｍ以下に形成されるのがよく、好ましくは１０ｎｍ以下に形成されるのがよい。これにより、捻れ等に対する基板１０のフレキシブル性が高まり、破断や破壊等が発生し難くなる。
【００５１】
図１に示す実施例では、基板１０が供給ドラム１３１から供給される構成としているが、基材を線引きして帯状ガラス基板を形成する線引炉から直接基板１０を供給するように構成してもよい。また、基板１０として被覆が施されたガラス基板を用いる場合には、隔離部１１０に供給する前に被覆を除去する工程と、薄膜が形成された基板１０を隔離部１１０から引き出した後に再度被覆を施す工程を追加してもよい。基板１０が隔離部１１０の内部を移動する速度を制御するために、本実施例では移動速度制御部１３３を設け、これにより供給ドラム１３１及び巻き取りドラム１３２の回転速度を制御している。
【００５２】
本実施形態の連続薄膜形成装置１００を用いて、基板１０上に所定の薄膜を形成する本実施形態の連続薄膜形成方法について説明する。以下では、一例として石英ガラスからなる基板１０上にシリコン薄膜を形成する方法を説明する。この場合、供給口１１６からは、反応ガス１１としてＨ２ガスとＤＣＳガス（ジクロロシラン：ＳｉＨ２Ｃｌ２）との混合ガスが所定の流速で供給される。
【００５３】
連続薄膜形成装置１００では、基板１０が移動速度制御部１３３の制御により所定の速度で隔離部１１０の内部を移動するとともに、ガス流量制御部１４３の制御により反応ガス１１が隔離部１１０の内部を所定の流速で供給される。まず、隔離部１１０の第１隔離ゾーン１１１を移動中の基板１０は、熱源１２４からの加熱によって所定の温度まで急速加熱される。また、反応ガス１１も第１隔離ゾーンを流れる間に加熱される。
【００５４】
次に、第２隔離ゾーン１１２に移送された基板１０は、サセプタ１２５からの加熱によりさらに温度が上昇し、最高温度が１０５０℃から１３００℃位に達する。このような高温により、基板１０上で反応ガス１１が分解されてシリコン薄膜が形成される。第２隔離ゾーン１１２の移動方向の長さは７０ｍｍ前後とするのがよく、基板１０が第２隔離ゾーン１１２を０．１秒以上０．５秒以下、より好ましくは０．２秒程度の短時間で移動するのがよい。基板１０上に形成される薄膜の厚さは、第２隔離ゾーン１１２の長さと、基板１０が隔離部１１０内を通過する速度と、反応ガス１１の流速によって調整することができる。
【００５５】
基板１０は、第２隔離ゾーン１１２を通過して第３隔離ゾーン１１３に移送されると、ここで急速冷却される。本実施例では、第３隔離ゾーン１１３が予備冷却部１２３の内部に位置する領域と外気で冷却される領域から構成されている。予備冷却部１２３の内部に位置する領域では、温度環境を９００℃以下に制御するのが好ましい。
【００５６】
あるいは、第２隔離ゾーン１１２において基板１０を１１７５℃以上に加熱しかつ０．２秒以下の期間１０５０℃以上に維持し、第３隔離ゾーン１１３では平均１００００℃／秒以上の冷却速度で９００℃以下に冷却するようにしてもよい。いずれの場合でも、基板１０が第１隔離ゾーン１１１、第２隔離ゾーン１１２及び第３隔離ゾーン１１３の全長を６秒以下で通過するように制御するのが好ましい。
【００５７】
上記の本実施形態の連続薄膜形成方法によれば、基板１０の厚さを薄くして熱容量を小さくすることにより、第１隔離ゾーン１１１及び第２隔離ゾーン１１２において基板１０を急速加熱することが可能となっている。同様に、第３隔離ゾーン１１３では、基板１０を急速冷却することが可能となっている。これにより、基板１０上に３０ｎｍから５００ｎｍ程度のシリコン薄膜を形成することが可能となる。
【００５８】
第２隔離ゾーン１１２において高温で分解した反応ガス１１から生成されたシリコンは、基板１０の表面上に堆積した直後に第３隔離ゾーン１１３で急速冷却される。これにより、シリコンが基板１０上でマイグレーションするのを抑制して基板１０上に定着するようにしている。これに対し、第３隔離ゾーン１１３における冷却速度が遅く基板１０が高温状態に持続されると、基板１０上でシリコンパーティクルの生成が促進されるため、表面性のよい薄膜を生成するのが困難になる。
【００５９】
第３隔離ゾーン１１３において、基板１０を好適な温度勾配で冷却することにより、基板１０上のシリコンを結晶化させることができる。すなわち、基板１０の余熱を所定時間以上所定の高温に維持することにより、シリコンの結晶化を促進してポリシリコンを形成することができる。これに対し、基板１０の温度低下が速く余熱が小さい場合には、結晶化されずにアモルファスシリコンとなる。
【００６０】
隔離部１１０の内部を移動する間の基板１０の温度変化の一例を、模式的に図２に示す。第１隔離ゾーン１１１において基板１０が加熱される温度Ｔ１は、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、第１隔離ゾーン１１１の長さ（および予備冷却部１２１の長さ）によって異なる。また、第２隔離ゾーン１１２における最高温度Ｔ２は、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、および第２隔離ゾーン１１２の長さ（およびサセプタ１２５の長さ）によって異なる。さらに、第３隔離ゾーン１１３における基板１０の冷却速度ＤＴ３は、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、および予備冷却部１２３に位置する第３隔離ゾーン１１３の長さによって異なる。
【００６１】
従って、隔離部１１０の各ゾーンの長さ、とりわけ第２隔離ゾーン１１２の長さを好適に設定し、基板１０の移動速度、熱源１２４からの加熱強度、及び反応ガス１１の流速を適切に制御することにより、基板１０上に所望の厚さの薄膜を形成することができる。第３隔離ゾーン１１３における基板１０の冷却速度ＤＴ３は、予備冷却部１２３の長さによって調整できる。また、基板１０の密度や比熱等の材質によっても薄膜の厚さや品質等が変化することから、これらの影響を反映して基板１０の移動速度等を制御するのがよい。
【００６２】
さらには、基板１０上に形成される薄膜の品質が第２隔離ゾーン１１２における最高温度Ｔ２の影響を受けることから、温度制御部１２６を制御して熱源１２４からの加熱量を調整することで、最高温度Ｔ２を好適な高さに維持するのがよい。そして、基板１０上に形成される薄膜の厚さを、基板１０の移動速度および反応ガス１１の流速で調整するのがよい。基板１０の移動速度および反応ガス１１の流速は、それぞれ移動速度制御部１３３及びガス流量制御部１４３により制御される。反応ガス１１の流速は、平均で０．５ｍ／秒以上となるように供給されるのがよい。
【００６３】
基板１０の移動速度は、供給ドラム１３１に巻き付けられた基板１０の長さによって変化する。供給ドラム１３１への巻き付け長さが１０ｍ程度の場合には、２５〜５００ｍｍ／秒前後の移動速度が望ましい。また、基板１０の巻き付け長さが１００ｍから数十ｋｍの場合には、１〜１０ｍ／秒、巻き付け長さが１００ｋｍ以上の場合には、１０〜５０ｍ／秒以上の移動速度が好ましい。
【００６４】
上記説明のように本実施形態の連続薄膜形成方法によれば、基板１０を第１隔離ゾーン１１１で予備加熱したのち第２隔離ゾーン１１２で極短時間だけ高温に加熱し、さらに第３隔離ゾーンで急速冷却することにより基板１０上に薄膜を形成している。これにより、高速で連続的に薄膜を基板１０上に形成できるだけでなく、パーティクルの生成や不純物の混入を大幅に低減することができ、平滑度の高い緻密な薄膜を備えた基板１０を提供することが可能となる。基板１０が隔離部１１０を移動する時間、すなわち第１隔離ゾーン１１１から第３隔離ゾーンまでを移動する時間は、１秒以下とするのが好ましい。また、反応ガス１１の濃度は、例えば３ｍｏｌ％以上とすることにより、良好な成膜速度を得ることができる。さらに、反応ガス１１は、Ｈ２ガスに少なくとも２mol％以上２０mol％以下のＤＣＳガスを混合しているのがよい。
【００６５】
つぎに、基板１０の温度履歴を、周囲温度等の条件から算出する方法を以下に説明する。移動する基板１０の熱移動と基板１０の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−Ｔ０） （１）
ここで、
Ｔ：基板温度（℃）
Ｔ０：周囲ガス（反応ガスまたは外気）の温度（℃）
ｄ：基板厚さ
ｂ：基板幅
ρ：基板の密度（石英では、２．２×１０３ｋｇ／ｍ３）
Ｃｐ：基板の比熱（石英では、１．０５×１０３Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
ｖ：基板の移動速度
ｈ：周囲ガスへの対流熱伝達率（２０００ｗ／ｍ２・Ｋ）
Ｚ：基板の移動方向の位置
となる。
【００６６】
基板１０の移動方向の位置Ｚを微小長さΔＺで刻んだとき、位置Ｚｉにおける基板温度Ｔｉと位置Ｚｉ−１における温度Ｔｉ−１との関係は、式（１）より次の差分式で表される。
Ｔｉ＝（Ｔｉ−１−Ｔ０）
×ｅｘｐ［−２（ｄ＋ｂ）／（ｄ×ｂ×ρ×Ｃｐ）×ｈ×ΔＺ/ｖ)］＋Ｔ０ （２）
【００６７】
基板１０に石英ガラスを用い、反応ガス１１としてＨ２ガスとＤＣＳガスとの混合ガスを用いる上記の実施例では、基板１０の厚さｄ及び幅ｂをそれぞれ０．００００９、及び０．０００８８ｍ、とし、基板１０の移動速度ｖを０．４ｍ／秒、周囲ガスである反応ガス１１の第２隔離ゾーン１１２での出口側温度を１２５０℃、第３隔離ゾーン１１３の予備冷却部１２３に対応する位置の平均温度を５００℃、第３隔離ゾーン１１３の外気に露出した部分の温度を２５℃として評価することができる。
【００６８】
上記（２）式において、基板１０の形状に依存するのはｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の部分であり、これは（単位長さあたりの体積）／（単位長さあたりの表面積）に相当する。その他の部分は、反応ガス１１の条件及び加熱条件で決定される因子であり、それぞれの値が同じであれば、基板１０は同等の温度履歴を受けることになる。対流熱伝達係数ｈは、反応ガス１１の種類とその流速によって決定される。
【００６９】
上記実施例では、基板１０の片面のみに薄膜を形成する場合について説明したが、これに限らず、基板１０の両面に反応ガス１１を供給するように構成することで、基板１０の両面に薄膜を形成させることも可能である。
【００７０】
本発明の連続薄膜形成方法および装置の別の実施例を、図３を用いて以下に説明する。ここでは、図３に示す連続薄膜形成装置２００を用いて基板１０上にシリコン薄膜を形成した結果を示し、これに基づいて各成膜条件を説明する。
【００７１】
連続薄膜形成装置２００は、加熱炉２０１内に石英製の隔離部（反応管）２１０を設置し、隔離部２１０の周囲に熱源としての赤外線発生装置２２４を配置するとともに、隔離部２１０の内部にカーボン製のサセプタ（赤外線吸収体）２２５を配置している。図３では、サセプタ２２５の長さ、赤外線発生装置２２４の長さ、加熱炉２０１の長さ（＝隔離部２１０の長さ）をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とし、第１隔離ゾーン２１１、第２隔離ゾーン２１２、第３隔離ゾーン２１３のそれぞれの長さをＬ４、Ｌ５、Ｌ６としている。
【００７２】
サセプタ２２５の長さＬ１は、ライン速度（基板１０の移動速度）にもよるが、１ｍ／ｓ以下の場合は１０〜５００ｍｍ程度に設定するのがよく、ライン速度により比例的に長くなる。赤外線発生装置２２４の長さＬ２は、サセプタ２２５の長さＬ１の３倍から２０倍（ライン速度によって変化）とし、加熱炉２０１の長さＬ３は、炉の断熱設計によるがＬ２＋（１００〜５００ｍｍ）とするのがよい。また、第２隔離ゾーン２１２の長さＬ５は、サセプタ２２５の長さＬ１の０．８倍から１．２倍程度とし、第３隔離ゾーン２１３の長さＬ６は、第２隔離ゾーン２１２の長さＬ５以上でサセプタ２２５の長さＬ１の８倍以下とするのがよく、膜厚を大きくする場合や残留応力のばらつきや欠陥を低減したい場合など、徐冷が必要な場合にはさらに長くする必要がある。
【００７３】
より好ましくは、ライン速度が１ｍ／ｓ以下の場合、成膜する厚さにもよるが、サセプタ２２５の長さＬ１を４０〜２００ｍｍ、程度に設定するのがよく、赤外線発生装置２２４の長さＬ２をサセプタ２２５の長さＬ１の４倍から１２倍、第３隔離ゾーン２１３の長さＬ６を、第１隔離ゾーン２１１の長さＬ４と等しいかより長くするのがよい。
【００７４】
また、第３隔離ゾーン２１３をさらに、急冷するゾーンと徐冷するゾーンとに分けた構成としてもよい。急冷ゾーンでは、冷却用のガスを供給することでさらに急速冷却することが可能となる。徐冷ゾーンでは、ガスの流速が遅くなるように該ゾーンの断面積を大きくするか、あるいは急冷ゾーンの終端部に排気口を設けてガスを排気することで、流速を下げて冷却速度を変えることができる。
【００７５】
隔離部２１０の内部には、反応ガスとしてＨ２にＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを９ｍｏｌ％混合した混合ガスを、平均流速１．３ｍ／秒で供給した。図３（ｂ）に、図３（ａ）のＡ−Ａ’線方向の断面図を示す。図３（ｂ）では、サセプタ２２５と基板１０との位置関係が模式的に示されている。また、図３（ｃ）に、隔離部２１０の別の例を示す。図３（ｂ）又は（ｃ）に示すように、基板１０はサセプタ２２５と非接触の状態で移動されてもよく、あるいはサセプタ２２５に接触した状態で移動されてもよい。基板１０上に形成される薄膜は、ライン速度を一定に制御できるので、長手方向の膜厚分布が十分小さくこれを無視することができるが、基板１０の幅が広くなるにつれて幅方向の膜厚分布が無視できなくなる。幅方向の膜厚分布を抑制するためには、基板１０の幅方向における隔離部２１０の内径を、基板１０の幅の１．２〜１０倍程度に大きくするのが望ましい。より好ましくは、隔離部２１０の内径を基板１０の幅の２〜５倍程度にするのがよい。
【００７６】
基板１０として、厚さ９０μｍ、幅０．８８ｍｍの断面矩形形状を有する十分に長い石英製長尺体を作製し、これを隔離部２１０に対する相対速度４００ｍｍ／秒でその内部を移動させた。赤外線発生装置２２４の出力を制御し、サセプタ２２５が配置されている第２隔離ゾーンのガス温度が最高点で１３００℃、出口側端部で１２５０℃となるように調整した。
【００７７】
図３に示した連続薄膜形成装置２００の各寸法の一実施例として、隔離部２１０の内径及び長さをそれぞれ６ｍｍ及び３５０ｍｍとし、サセプタ２２５の長さＬ１＝４５ｍｍ、赤外線発生装置２２４の長さＬ２＝３００ｍｍ、加熱炉２０１の長さＬ３＝３５０ｍｍ、第１隔離ゾーン２１１の長さＬ４＝１５０ｍｍ、第２隔離ゾーン２１２の長さＬ５＝５０ｍｍ、第３隔離ゾーン２１３の長さＬ６＝１５０ｍｍとする。この条件で基板１０が各隔離ゾーンに滞留する時間を算出すると、第２隔離ゾーン２１２での滞留時間が０．１２５秒、第３隔離ゾーン２１３での滞留時間が０．３７５秒となる。また、（２）式を用いて基板１０の温度履歴算出すると、第２隔離ゾーン２１２で最高１１９７℃まで加熱され、１０５０℃以上の状態が０．０７５秒間持続している。第３隔離ゾーン２１３の出口では９００℃まで冷却されており、第３隔離ゾーン２１３における平均冷却速度は１２０００Ｋ／秒となる。
【００７８】
本発明の連続薄膜形成方法および装置の別の実施例を、図４を用いて以下に説明する。図４に示す連続薄膜形成装置３００は、隔離部（反応管）３１０の導入口３１４側に反応ガス１１を供給するための供給口３１６ａに加えて第２の供給口３１６ｂを有しており、引出口３１５側にも反応ガス１１を回収するための排気口３１７ａに加えて第３の供給口３１６ｃを有している。また、供給口３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、および排気口３１７ａが設けられている位置の隔離部３１０の断面積が、第１〜３隔離ゾーン３１１〜３１３の位置の断面積より小さくなるように、隔離部３１０の管の形状を細くしている。
【００７９】
連続薄膜形成装置３００では、供給口３１６ｂおよび３１６ｃから隔離部３１０の内部に不活性ガス（たとえばＡｒ）を供給しており、導入口３１４および引出口３１５の近傍を不活性ガスでシールドするようにしている。これにより、反応ガス１１が導入口３１４および引出口３１５から外部に漏れるのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止している。供給口３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、および排気口３１７が設けられている位置の隔離部３１０の断面積を小さくすることにより、導入口３１４および引出口３１５の近傍を不活性ガスで高圧にすることができ、これにより反応ガス１１が導入口３１４および引出口３１５から漏洩するのを防止するとともに、外部から不純物が混入するのを防止することができる。
【００８０】
隔離部３１０内部の圧力分布の一例を、模式的に図５に示す。供給口３１６ａから供給された反応ガス１１が排気口３１７の方向に流れるように、供給口３１６ａの圧力Ｐ２を排気口３１７の圧力Ｐ３より高くしている。圧力差（Ｐ２−Ｐ３）は、反応ガス１１の流速が所定の大きさとなるように決定される。また、供給口３１６ｂの圧力Ｐ１は圧力Ｐ２より高く設定されており、これにより供給口３１６ａから供給される反応ガス１１が、供給口３１６ｂから供給される不活性ガス（ここではＡｒとする）によってシールドされ、導入口３１４から外部に漏出しないようにしている。さらに、供給口３１６ｃから圧力Ｐ３より高い圧力Ｐ４で不活性ガスを供給することにより、反応ガス１１が引出口３１５から外部に漏出しないように、不活性ガスでシールドしている。
【００８１】
（シリコン薄膜の形成例及びその評価）
上記実施例の連続薄膜形成装置２００を用いて、基板１０上にシリコン薄膜を作製して評価した結果を以下に説明する。上記条件を適宜変更して複数種類のシリコン薄膜を形成し、これらを比較検討した結果を表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、表面粗さがＪＩＳ規定のＲｍｓ値で５ｎｍ以上のものを不合格とした。また、ラマンスペクトル測定により結晶性を評価し、ポリシリコン膜と判定できないものを不合格とした。このように、以下では表面粗さ及び結晶性評価の両面から好適なポリシリコン薄膜を判定している。
【００８２】
基板１０に用いた石英は、密度ρを２．２×１０３ｋｇ／ｍ３、比熱Ｃｐを１．０５×１０３Ｊ／ｋｇ・Ｋとし、これを用いて基板１０の温度と冷却速度を計算した。また、第２隔離ゾーン２１２の温度として出口側の温度を用いており、第２隔離ゾーン２１２の温度にかかわらず第３隔離ゾーン２１３の温度を５００℃、外気の温度を２５℃とした。また、基板１０の幅が所定値を超えるものについては、隔離部２１０の内側断面積を内径６ｍｍのものと同等にして、基板１０を内部に挿通可能となるように隔離部２１０の断面形状を変更して薄膜形成を行った。さらに、反応ガス１１の構成及び供給時の流速は、いずれの場合も５０ｎｍ以上の膜厚が得られるように適宜調整している。なお、表１では第２隔離ゾーン２１２を第一領域、第３隔離ゾーン２１３を中間領域と表記している。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１の評価結果より、第２隔離ゾーン２１２の温度を一定とした場合、好適なポリシリコン薄膜が生成されるか否かは基板１０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、第２隔離ゾーン２１２の温度と長さを一定とした場合には、基板１０の移動速度を制御することにより、好適なポリシリコン薄膜を形成することができる。
【００８５】
さらに条件を変えてシリコン薄膜を形成したときの評価結果を表２に示す。成膜条件は表１と同じとしている。表２では、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種に分類して表示している。
【００８６】
【表２】
【００８７】
表２の結果より、成膜条件を適切に変更することで、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、あるいはポリシリコンのいずれのシリコン薄膜でも生成可能であることがわかる。また、表１に示したサンプル番号１４と表２に示したサンプル番号３３，３４の結果から、第２隔離ゾーン（表１，２の第一領域）２１２において１０５０℃以上の滞留時間が０．２秒より長くなると、表面粗さＲｍｓが悪化することがわかる。これより、薄膜形成工程においては、１０５０℃以上の温度での滞留時間を０．２秒以下に短縮するのが望ましい。また、１００ｎｍ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１００ｎｍ以上の連続成膜が可能となるように、成膜速度を５００ｎｍ／秒以上とするのが望ましい。
【００８８】
図６及び図７は、基板厚さｄ、基板幅ｂ、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６は、基板厚さｄに対して基板幅ｂが十分大きい場合に、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値を一定としたときの基板厚さｄの基板幅ｂに対する依存性を示すグラフである。また図７は、昇温レートと基板厚さｄとの関係を示すグラフである。図６から明らかなように、基板幅ｂが１０ｍｍ程度以上の場合には、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が所定の値となる基板厚さｄは、基板幅ｂに対しほぼ一定値となる。すなわち、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が所定の値となる基板厚さｄは、基板幅ｂが大きくなってもほとんど変わらないことがわかる。（２）式より、ｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値が同じであれば同じ温度履歴となることから、基板幅ｂの大きさに依存することなく、基板はほぼ同じ温度履歴をたどることになる。
【００８９】
図７には、第２隔離ゾーン２１２が温度１２５０℃、長さ５０ｍｍで、基板１０が第２隔離ゾーン２１２に入るときの基板温度を５００℃としたときの、基板厚さｄと昇温レートとの関係が示されている。この関係は、基板幅を１０ｍｍとし昇温レートを基板厚さｄのみの関数として算出したものである。図７に示すグラフから、例えば基板厚さｄが３０μｍの場合には昇温レートが３５０００Ｋ／ｓｅｃとなり、基板厚さｄが３００μｍの場合には昇温レートが３５００Ｋ／ｓｅｃとなることがわかる。
【００９０】
基板厚さｄが３００μｍ以上の場合は、０．２ｓｅｃ後の昇温レートが数千℃／ｓｅｃ以下となり、成膜時間０．２ｓｅｃで緻密な薄膜を得るには基板温度が低すぎて好ましくない。このときのｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値は０．１５となる。また、基板１０の強度の面から、基板厚さｄが３０μｍ以下では破断する可能性が高くなり好ましくない。このときのｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値は０．０１５となる。よって、基板の形状から決まるｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の値は、０．１５から０．０１５の間が望ましい。
【００９１】
図８に、反応ガス１１の平均流速が１．３ｍ／ｓｅｃのときのＤＣＳ濃度と成膜速度との関係を示す。同図において、ＤＣＳ濃度が略２ｍｏｌ％のときに変曲点が見られることから、高速成膜のためにはＤＣＳ濃度を２ｍｏｌ％以上とするのが望ましいことがわかる。
【００９２】
上記の薄膜形成装置２００を用いた実施例において、基板１０上に形成されたポリシリコン薄膜に混入された不純物の膜厚方向の分布の一例を図９に示す。同図に示すように、シリコン以外の元素は、膜厚方向の両端で増加傾向がみられるものの十分に低減されていることがわかる。本発明の薄膜形成方法および装置によれば、不純物を十分に低減した薄膜を基板上に形成することが可能となっている。
【００９３】
上記では、基板及び反応ガスを加熱するのに熱ＣＶＤを用いた実施例を示したが、これに限らず例えばプラズマＣＶＤあるいはその他の加熱手段を用いてもよい。
【００９４】
本発明のガラス基板の製造方法は、上記説明の本発明の連続薄膜形成方法及び装置を用いて製造された薄膜を有する基板を、所定の長さに複数本切断してこれを幅方向に順次接続していく。これにより、所望の幅のガラス基板を作製することができる。また、このようにして作製されたガラス基板上に半導体装置を形成することができる。
【００９５】
上記説明のように、本発明によれば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の形成方法、形成装置、薄膜付き基板及び半導体装置を提供することができる。熱容量が小さく表面積が大きい薄い基板を、反応ガスを充満させた隔離部内を短時間で通過させて急速加熱、急速冷却することにより、基板上に所望の薄膜を高速で連続的に形成することが可能となる。基板の熱容量、表面積、移動速度、及び隔離部の温度、ガス流速を制御することにより、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、高速に成膜した場合でも長手方向の膜厚分布の発生を十分低減することができる。
【００９６】
本発明の連続薄膜形成方法により薄膜が形成された基板は、薄いフィルム状に形成されることから、これを用いた製品の軽量化を図るとともに、変形容易といっ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】
【００９７】
【図１】本発明の実施形態にかかる連続薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】隔離部の内部を移動する間の基板の温度変化を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる連続薄膜形成装置の別の実施例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる連続薄膜形成装置のさらに別の実施例を示す概略構成図である。
【図５】さらに別の実施例の隔離部内の圧力変化を模式的に示す図である。
【図６】基板厚さに対して基板幅が十分大きい場合のｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））の変化を示すグラフである。
【図７】昇温レートと基板の厚さとの関係を示すグラフである。
【図８】ＤＣＳ濃度とシリコン薄膜の成膜速度との関係を示すグラフである。
【図９】薄膜に混入された不純物の膜厚方向の分布の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１０ 基板
１１ 反応ガス
１００、２００、３００ 連続薄膜形成装置
１１０、２１０、３１０ 隔離部
１１１、２１１、３１１ 第１隔離ゾーン
１１２、２１２、３１２ 第２隔離ゾーン
１１３、２１３、３１３ 第３隔離ゾーン
１１４、３１４ 導入口
１１５、３１５ 引出口
１１６、３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ 供給口
１１７、３１７ 排気口
１２０、３２０ 加熱部
１２１、３２１ 予備加熱部
１２２、３２２ 本加熱部
１２３、３２３ 予備冷却部
１２４、３２４ 熱源
１２５、２２５、３２５ サセプタ
１２６ 温度制御部
１３１ 供給ドラム
１３２ 巻き取りドラム
１３３ 移動速度制御部
１４１、３４１ａ 反応ガス供給管
３４１ｂ、３４１ｃ 不活性ガス供給管
１４２、３４２ 反応ガス回収管
１４３、３４３ ガス流量制御部
２０１ 加熱炉
２２４ 赤外線発生装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面の厚さをｄとし幅をｂとしたときｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が0.015以上0.15以下となるように形成された帯状の基板を、予備加熱部に設けられた第１隔離ゾーンと本加熱部に設けられた第２隔離ゾーンと冷却部に設けられた第３隔離ゾーンとを有する隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から連続的に導入するとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から反応ガスを加圧して供給し、
前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン内を通過させて所定の温度まで急速加熱し、
前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン通過後に前記第２隔離ゾーン内を通過させてさらに加熱して前記反応ガスを前記基板上に成膜させ、
前記基板および前記反応ガスを前記第２隔離ゾーン通過後に前記第３隔離ゾーン内を通過させて前記基板を所定の温度勾配で急速冷却することにより、
前記基板上に前記反応ガスの所定の成分からなる薄膜を形成する
ことを特徴とする連続薄膜形成方法。
【請求項２】
前記反応ガスの前記隔離部内の圧力は、前記隔離部内の不純物が所定値以下となるように加圧される
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】
前記反応ガスの前記隔離部内の圧力を前記隔離部外の圧力よりも高くし、前記供給口の圧力を前記第３隔離ゾーン側に設けられた排気口の圧力よりもさらに高くすることにより、前記隔離部内に外気が侵入するのを防止する
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】
前記基板は、前記第１隔離ゾーン、第２隔離ゾーン及び第３隔離ゾーンを６秒以下で通過するように制御される
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５】
前記薄膜は、多結晶構造を有している
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項６】
前記基板上に形成する前記薄膜の厚さを、前記第２隔離ゾーンの長さと、前記基板が前記隔離部内を通過する速度と、前記反応ガスの流速によって調整する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項７】
前記第２隔離ゾーンの幅は、前記基板の幅の２倍以上５倍以下である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項８】
前記予備加熱部及び前記本加熱部は、熱ＣＶＤにより構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項９】
前記予備加熱部及び前記本加熱部は、プラズマＣＶＤにより構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１０】
前記基板は、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスである
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１１】
前記基板を厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスで形成し、前記反応ガスとしてＨ２ガスとＤＣＳガスとの混合ガスを用いて前記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１０のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１２】
前記反応ガスは、Ｈ２ガスに少なくとも２mol％以上２０mol％以下のＤＣＳガスを混合している
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１３】
前記反応ガスは、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１１または１２に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１４】
前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１５０℃以上１４００℃以下に加熱して０．１秒以上０．５秒以下で通過し、前記第３隔離ゾーンの温度を９００℃以下として前記基板を冷却することで前記シリコン薄膜を形成する
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１５】
前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１７５℃以上に加熱しかつ０．２秒以下の期間１０５０℃以上に維持し、前記第３隔離ゾーンでは平均１００００℃／秒以上の冷却速度で９００℃以下に冷却することにより前記シリコン薄膜を形成する
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１６】
前記シリコン薄膜は、多結晶構造を有するポリシリコン薄膜である
ことを特徴とする請求項１１乃至１５に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法により製造された前記基板を所望の長さに切断して幅方向に接続することにより、前記薄膜を備えた板状基板を作製する
ことを特徴とするガラス基板の製造方法。
【請求項１８】
帯状の基板を予備加熱する予備加熱部と、前記予備加熱部で加熱された前記基板をさらに加熱する本加熱部と、前記本加熱部で加熱された前記基板を冷却する冷却部とを備えて前記基板上に所定の反応ガスの成分からなる薄膜を形成する連続薄膜形成装置であって、
前記予備加熱部に配置された第１隔離ゾーンと前記本加熱部に配置された第２隔離ゾーンと前記冷却部に配置された第３隔離ゾーンとを有する隔離部をさらに備え、
前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から前記基板を連続的に導入して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで順次通過させて引出口から引き出すとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から加圧された反応ガスを供給して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで所定の流速で送流して排気口から排出する
ことを特徴とする連続薄膜形成装置。
【請求項１９】
前記導入口と前記供給口との間に設けられた第２の供給口と、
前記排気口と前記引出口との間に設けられた第３の供給口と、をさらに備え、
前記供給口の圧力よりも高い圧力で前記第２の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給し、前記排気口の圧力よりも高い圧力で前記第３の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給している
ことを特徴とする請求項１８に記載の連続薄膜形成装置。
【請求項２０】
前記導入口から前記供給口までの間の前記隔離部の断面積および前記排気口から前記引出口までの間の前記隔離部の断面積は、少なくとも前記第２隔離ゾーンの断面積より小さくして前記基板との隙間を小さくしている
ことを特徴とする請求項１８または１９に記載の連続薄膜形成装置。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載の連続薄膜形成装置において、帯状基板を供給する手段と成膜された基板を巻き取る手段が設けられている
ことを特徴とする連続薄膜形成装置。
【請求項２２】
請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載の連続薄膜形成装置を用いて製造された帯状成膜ガラス基板。
【請求項２３】
請求項１８乃至２１のいずれか一項１８の帯状成膜ガラス基板を所望の長さに切断して幅方向に接続して作製される
ことを特徴とする二次元成膜ガラス基板。
【請求項２４】
請求項２２に記載の帯状成膜ガラス基板または請求項２３に記載の二次元成膜ガラス基板を用いて製造された半導体装置素子またはモジュール。
【請求項１】
断面の厚さをｄとし幅をｂとしたときｄｂ／（２（ｄ＋ｂ））が0.015以上0.15以下となるように形成された帯状の基板を、予備加熱部に設けられた第１隔離ゾーンと本加熱部に設けられた第２隔離ゾーンと冷却部に設けられた第３隔離ゾーンとを有する隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から連続的に導入するとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から反応ガスを加圧して供給し、
前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン内を通過させて所定の温度まで急速加熱し、
前記基板および前記反応ガスを前記第１隔離ゾーン通過後に前記第２隔離ゾーン内を通過させてさらに加熱して前記反応ガスを前記基板上に成膜させ、
前記基板および前記反応ガスを前記第２隔離ゾーン通過後に前記第３隔離ゾーン内を通過させて前記基板を所定の温度勾配で急速冷却することにより、
前記基板上に前記反応ガスの所定の成分からなる薄膜を形成する
ことを特徴とする連続薄膜形成方法。
【請求項２】
前記反応ガスの前記隔離部内の圧力は、前記隔離部内の不純物が所定値以下となるように加圧される
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】
前記反応ガスの前記隔離部内の圧力を前記隔離部外の圧力よりも高くし、前記供給口の圧力を前記第３隔離ゾーン側に設けられた排気口の圧力よりもさらに高くすることにより、前記隔離部内に外気が侵入するのを防止する
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】
前記基板は、前記第１隔離ゾーン、第２隔離ゾーン及び第３隔離ゾーンを６秒以下で通過するように制御される
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５】
前記薄膜は、多結晶構造を有している
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項６】
前記基板上に形成する前記薄膜の厚さを、前記第２隔離ゾーンの長さと、前記基板が前記隔離部内を通過する速度と、前記反応ガスの流速によって調整する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項７】
前記第２隔離ゾーンの幅は、前記基板の幅の２倍以上５倍以下である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項８】
前記予備加熱部及び前記本加熱部は、熱ＣＶＤにより構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項９】
前記予備加熱部及び前記本加熱部は、プラズマＣＶＤにより構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１０】
前記基板は、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスである
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１１】
前記基板を厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下の石英ガラスで形成し、前記反応ガスとしてＨ２ガスとＤＣＳガスとの混合ガスを用いて前記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１０のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１２】
前記反応ガスは、Ｈ２ガスに少なくとも２mol％以上２０mol％以下のＤＣＳガスを混合している
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１３】
前記反応ガスは、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１１または１２に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１４】
前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１５０℃以上１４００℃以下に加熱して０．１秒以上０．５秒以下で通過し、前記第３隔離ゾーンの温度を９００℃以下として前記基板を冷却することで前記シリコン薄膜を形成する
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１５】
前記第２隔離ゾーンでは前記基板を１１７５℃以上に加熱しかつ０．２秒以下の期間１０５０℃以上に維持し、前記第３隔離ゾーンでは平均１００００℃／秒以上の冷却速度で９００℃以下に冷却することにより前記シリコン薄膜を形成する
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１６】
前記シリコン薄膜は、多結晶構造を有するポリシリコン薄膜である
ことを特徴とする請求項１１乃至１５に記載の連続薄膜形成方法。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の連続薄膜形成方法により製造された前記基板を所望の長さに切断して幅方向に接続することにより、前記薄膜を備えた板状基板を作製する
ことを特徴とするガラス基板の製造方法。
【請求項１８】
帯状の基板を予備加熱する予備加熱部と、前記予備加熱部で加熱された前記基板をさらに加熱する本加熱部と、前記本加熱部で加熱された前記基板を冷却する冷却部とを備えて前記基板上に所定の反応ガスの成分からなる薄膜を形成する連続薄膜形成装置であって、
前記予備加熱部に配置された第１隔離ゾーンと前記本加熱部に配置された第２隔離ゾーンと前記冷却部に配置された第３隔離ゾーンとを有する隔離部をさらに備え、
前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた導入口から前記基板を連続的に導入して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで順次通過させて引出口から引き出すとともに、前記隔離部の前記第１隔離ゾーン側に設けられた供給口から加圧された反応ガスを供給して前記第１隔離ゾーンから前記第３隔離ゾーンまで所定の流速で送流して排気口から排出する
ことを特徴とする連続薄膜形成装置。
【請求項１９】
前記導入口と前記供給口との間に設けられた第２の供給口と、
前記排気口と前記引出口との間に設けられた第３の供給口と、をさらに備え、
前記供給口の圧力よりも高い圧力で前記第２の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給し、前記排気口の圧力よりも高い圧力で前記第３の供給口から前記隔離部内に不活性ガスを供給している
ことを特徴とする請求項１８に記載の連続薄膜形成装置。
【請求項２０】
前記導入口から前記供給口までの間の前記隔離部の断面積および前記排気口から前記引出口までの間の前記隔離部の断面積は、少なくとも前記第２隔離ゾーンの断面積より小さくして前記基板との隙間を小さくしている
ことを特徴とする請求項１８または１９に記載の連続薄膜形成装置。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載の連続薄膜形成装置において、帯状基板を供給する手段と成膜された基板を巻き取る手段が設けられている
ことを特徴とする連続薄膜形成装置。
【請求項２２】
請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載の連続薄膜形成装置を用いて製造された帯状成膜ガラス基板。
【請求項２３】
請求項１８乃至２１のいずれか一項１８の帯状成膜ガラス基板を所望の長さに切断して幅方向に接続して作製される
ことを特徴とする二次元成膜ガラス基板。
【請求項２４】
請求項２２に記載の帯状成膜ガラス基板または請求項２３に記載の二次元成膜ガラス基板を用いて製造された半導体装置素子またはモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２９９１６４（Ｐ２００９−２９９１６４Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５７０６７（Ｐ２００８−１５７０６７）
【出願日】平成２０年６月１６日（２００８．６．１６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１６日（２００８．６．１６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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