JP5184345B2 - 連続薄膜の形成方法及び薄膜付き線状ガラス基板 - Google Patents
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Description
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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