CN1292040A - 涂覆和退火大面积玻璃基底的方法 - Google Patents

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Abstract

通过预热玻璃基底、在第一温度下在该基底上沉积非晶硅前体层、在热处理室内于显著高于第一温度的第二温度下退火该基底,以显著地降低前体层中的氢含量,从而在玻璃基底上形成薄膜层。该预热和退火步骤可在相同热处理室内进行。然后,通过激光退火将前体层转变为多晶硅层。

Description

涂覆和退火大面积玻璃基底的方法
背景技术
本发明通常涉及处理玻璃基底的方法，更具体地，本发明涉及沉积在玻璃基底上的非晶硅薄膜的退火方法。
用于监视器、平板显示器、太阳能电池等的薄膜晶体管是制造在大面积玻璃基底或者平板上的。通过顺列沉积各种薄膜而制得晶体管，包括非晶硅(掺杂和本征的)、氧化硅和氮化硅。这些薄膜可以通过化学气相沉积(CVD)方法沉积。
CVD方法需要使基底承受280-400℃的温度。发现CVD方法可广泛应用于制造硅晶片上的集成电路。硅是导电材料，可快速加热并冷却而不使晶片破裂或者变形。然而，玻璃是介电材料，非常脆并且当快速冷却或者加热时会变形或者破裂。因此，在调节大面积玻璃基底的加热和冷却速率时要非常小心以防止热形变并导致危险。
通常，为了进行CVD方法，在预热室内预热至约沉积温度。一旦基底到达所需的温度，将基底转移至处理室内以进行沉积。然后，将基底转移至冷却室内以将其冷却，例如冷却至室温。为了减少污染的危险，应该将加热沉积和冷却室包括在单个装置内，从而使基底可在各室之间传输而不移出真空环境。这种装置，例如是在US4951601中所公开的系统(将该专利结合入本文供参考)，包括连接于各个处理室的中心自动控制室。该处理室可只处理单个基底以改进均匀性和可控制性。但是，由于将玻璃基底加热和冷却至所需的温度需要较长的时间(例如每次将玻璃基底加热至400℃并且冷却至室温需要约5分钟)以避免玻璃基底损坏或者破裂，该加热和冷却室可以同时处理几个玻璃基底以改进该系统的生产率。
在制造薄膜晶体管中的一个步骤是形成多晶硅层。一个形成多晶硅层的方法是通过CVD在基底上形成非晶硅前体层的沉积方法。在沉积步骤之后，将基底从CVD装置中取出并且传送至炉中进行退火，例如在约350-400℃温度。该温度低于沉积温度。之后，通过激光退火可以将非晶硅转化为多晶硅。
在制造多晶硅的过程中所遇到的一个问题是在激光退火步骤中于基底表面上产生气泡。这种气泡使基底不能使用并且降低工艺的产率。造成气泡的一个原因是在沉积步骤形成的非晶硅前体层中包括的氢气逸出所致。为了降低前体层中包括的氢气含量，可在“高”温度如450-470℃下进行非晶硅沉积。但遗憾的是，这种高温对加工室是有害的。
本发明的概要
一方面，本发明涉及在玻璃基底上形成多晶硅层的方法。在该方法中，将玻璃基底预热并且在第一温度下于基底上沉积非晶硅前体层。在显著高于第一温度的第二温度下于热处理室内将基底退火，以显著降低前体层中的氢气含量，并且通过激光退火将前体层转化为多晶硅层。
本发明的实施可包括如下所述。第一温度可为约380-400℃，并且第二温度可为约400-470℃。退火步骤可在含氮和可能的氢之气氛中进行。预热和退火步骤可在相同的热处理室中进行。在将前体层转化为多晶硅之前，基底可冷却至加工温度。
另一方面，本发明涉及在玻璃基底上形成薄膜的方法。在该方法中，在热处理室中将玻璃基底加热至第一温度。在低于第一温度的第二温度下通过化学汽相沉积在基底上沉积薄膜。该基底在热处理室内于第一温度下进行退火。
在本发明的实施中可包括如下所述。该薄膜可以是非晶硅层或者原硅酸四乙酯层。
本发明的优点如下所述。降低了非晶硅前体层中的氢含量，由此降低了气泡并提高了产率。该非晶硅前体层可在相对低温度下沉积，由此增加了处理室的寿命。可在CVD装置中进行前体层的退火，增加了产率并且降低了污染的危险。
附图的简要说明
图1是玻璃基底处理系统的平面图。
图2A是图1的系统的加热室的透视图。
图2B是图2的加热室的加热箱的截面图。
图3A是图1的系统的负载锁定／冷却室的透视图。
图3B是图3A的负载锁定／冷却室的冷却箱的截面图。
本发明的详述
参照图1，加工系统40包括加热或者热处理室42，两个冷却／负载锁定室44，四个加工室52、54、56、58，以及位于真空室48中用于在加热室、冷却室和加工室中间传送玻璃基底50的适宜真空的自控装置50。在US5607009和5512320中可发现类似的加工系统和类似的加热和冷却室，这两篇文献公开的内容结合入本文供参考。该加工系统40也可包括工厂自动装置60，具有用于在冷却／负载锁定室44和基底传送箱64之间传送基底的大气自控装置62。
参照图2A和2B，加热室42包括由室壁70(由该加热箱彼此间隔开来)围绕的加热箱10。相邻于中心真空室48的一个室壁安装有开口阀72，通过该阀玻璃板可传送入箱体10中并且从中传送出来。加热室42中的气氛可含有氮、氮和氢，如约95％氮和约5％氢，或者惰性气体。
加热箱10通常是具有侧壁12和14以及底面16的方框。盖子18固定在加热箱10的顶部。侧壁12和14装有电阻加热线圈20。穿过支承轴24的通道22(图2B中虚线所示)可包括引线以将加热线圈20连接于电源(未示出)上。
多个导热搁板28安装在侧壁12和14之间。搁板28与侧壁12和14热接触以保证快速并且均匀地控制搁板28的温度。搁板28由导热材料制成，如金属如铝、铜或者不锈钢包覆的铜。加热箱10中的搁板数量取决于箱体所需的尺寸以及加热所需的时间、需传送和加工的玻璃基底数量。
多个支承体26位于搁板28上或者固定在搁板上，支承体26是由非导热材料制成，例如高温玻璃或者石英。支承体26用于支承待处理的玻璃基底50，从而在搁板28和基底50之间存在间隙。该间隙保证玻璃基底通过辐射和气体传递而直接加热和冷却，而不是通过直接接触基底50和搁板28而加热。这降低了玻璃基底形变和破裂的危险性。另外，玻璃基底50和搁板28之间交叉叠放可由玻璃基底50的两侧加热和冷却，可更快和更均匀地加热和冷却基底。
参照图3A和3B，每个冷却／负载锁定室44包括由室壁80围绕的冷却箱30。相邻于中心真空室48的一个侧壁80具有在其中形成的开口阀82，而相邻于工厂自动装置60的一个侧壁具有在其中形成的舱门84。
冷却箱的构造与加热箱类似，但是侧壁具有通道32，其中可循环冷却气体如氦或者液体如水。分别可提供输入管34和输出管36(虚线示出)以通过合适的泵(未示出)来循环冷却剂。
参照图2A和3A，本发明的加热箱和冷却箱安装在升降机90上。该升降机可使箱体10和30上下移动，从而在每次传送玻璃基底50之后，将不同的搁板28呈现给真空自控装置60。这些升降机的机理是常规的并且无需详述。升降机自身可在系统40之外，并且通过密封穿过系统的底部而连接。因此，在传送过程中，箱体10和30沿箭头92的方向移动，而玻璃基底50沿箭头94的方向移动。
参照图2B和3B，导热搁板的温度可通过加热线圈20或者在侧壁中的冷却通道32而调节。玻璃基底的加热和冷却速率通过搁板材料的热辐射系数、玻璃自身的热辐射系数以及真空室的压力来确定。温度变化的速率可足够的低，从而避免玻璃破裂。由Stephan-Boltzmann公式所描述的传热量以下述公式(I)给出： E γ = σ ϵ 1 ϵ 2 ϵ 1 + ϵ 2 - ϵ 1 ϵ 2 ( T 1 4 - T 2 4 ) - - - - - - - - - ( Ι ) 其中Eγ是传送的能量，单位为瓦特／cm2，T1是搁板温度，单位为°K，T2是玻璃温度，单位为°K，ε1是搁板的热辐射系数，ε2是玻璃的热辐射系数，σ是Stephan-Boltzmann常数。气体传递的传递热量与气压成正比，并且由下述公式(II)给出： E c = Δ ( T 1 - T 2 ) β d + 2 βc - P - - - - - - - - - - - - - - ( ΙΙ ) 其中Ec是热能，单位为瓦特／cm2，Δ是平均导热率，单位为°K，d是搁板之间的间隙，单位为cm，β是气体调节系数，c是气体平均自由程，单位为微米，p是压力，单位为毫乇，以及T1和T2具有与公式(I)相同的含义。
再次参照图1，下面说明制备多晶硅层的方法。将基底50送入位于传送箱64中的工厂自控装置60，并且由大气自控装置62穿过舱门48加载于一个冷却／负载锁定室(见图3A)。当装满所有搁板时，关闭舱门并且通过常规抽空泵(未示出)将室44抽真空。当到达预定压力时，打开相邻于中心真空室48的侧壁上的开口阀72(见图2A)，使真空自控装置46将基底50传送至加热室42。提供两个冷却／负载锁定室44，以当一批基底在处理时，可加载第二批基底。
将玻璃基底从冷却／负载锁定室44传送至加热室42。将玻璃基底加热至高于沉积温度的温度。一旦玻璃基底被加热，真空自控装置46将其传送至处理室52、54、56或58之一内，以在其上沉积非晶硅前体层。可在相对“低”温度下进行CVD方法，如约380-400℃。
在完成非晶硅沉积工艺之后，自控装置将玻璃基底50传送回加热室42以进行退火。具体地，基底50可在室42中加热至高于处理温度的温度。例如，基底温度可达到约400-470℃，如420℃。可在含氮气、惰性气体或者可能的氮气和氢气的混合物(如约95％氮气和约5％氢气)的气氛中进行退火。退火可进行约5-30分钟，如约10分钟。
由于基底的数量大并且所需退火时间长，希望提供两个或者更多的加热室以改进系统的产率。一个加热室可用于预热基底，而其他加热室可用于退火。作为替代，加热室可装配有比冷却／负载锁定室更多的搁板。另外，一个负载锁定室可转变为加热／负载锁定室。当退火步骤完成，将基底50传送至一个冷却／负载锁定室44，以冷却至加工温度。该加工温度低于退火温度，但是可高于室温，如约80-150℃。将冷却／负载锁定室44放气，并且通过大气自控装置62将基底50传送回工厂自动装置60中。最后，将基底转移至其他装置内以进行激光退火，而将非晶硅层转变成多晶硅层。
该高温退火步骤降低了非晶硅前体层中的氢含量，因此降低了在激光退火步骤中的气泡，且提高了产率。具体地，在约380-400℃的CVD工艺中沉积的前体层中的氢含量约为10-15％(原子百分比)，但是基底通过在约450-470℃退火，前体层中的氢含量降低为约2-4％，如约3％。如果退火温度高于沉积温度但低于450-470℃，则相应较少地降低氢含量。选择退火温度以使氢含量降低至小于约7％，如小于约5％。
总之，一批大面积玻璃基底可传送至冷却／负载锁定室内的箱体中、传送至加热室中(在此处被加热至处理温度或者高于处理温度)、各自地传送至一个或者多个单一基底处理室以进行“低温”非晶硅沉积步骤、传送回加热室以进行“高温”退火步骤、以及最终传送回负载锁定室内的冷却箱中以冷却至加工温度。然后将基底移出真空系统进行激光退火步骤。由于退火和沉积步骤是在相同装置中进行的而没有暴露于大气中，降低了污染基底的危险。另外，由于同一个室可用于预热和退火基底，无需分离的炉子。还有，由于一部分基底在预热的同时而另一部分基底可进行退火，从而提高了装置的产率。
在制造氧化硅栅层时使用相同室来进行基底的预热和退火也具有优越性。具体地，玻璃基底可在加热室内预热，通过CVD沉积原硅酸四乙酯(TEOS)前体层，并且将基底传送回加热室进行退火。
尽管以具体实施方案说明了本发明，可进行各种改变。例如，各种其他材料可用于替代本文所述的箱体、搁板、玻璃基底支承体等等。箱体搁板可以通过在搁板自身中的合适通道而直接加热或者冷却，而不是所述的间接方式。本发明的箱体可连接于一个或者多个批处理型CVD或者其他处理室。甚至一个批处理型加热和／或冷却室可连接于一个或者多个处理室。本发明的加热和／或冷却室可以连接在一起，或者连接于其他处理室，例如预清洗、蚀刻或者物理汽相沉积室。因此，本发明的范围由权利要求书来确定。

Claims (12)

1．一种在玻璃基底上形成多晶硅层的方法，包括：
预热玻璃基底；
在第一温度下在该基底上沉积非晶硅前体层；
在热处理室内于显著高于第一温度的第二温度下退火该基底，以显著地降低前体层中的氢含量；以及
通过激光退火将前体层转变为多晶硅层。
2．权利要求1的方法，其中第一温度约为380-400℃。
3．权利要求1的方法，其中第二温度约为400-470℃。
4．权利要求1的方法，其中退火步骤在含氮气的气氛中进行。
5．权利要求1的方法，其中的气氛含氢。
6．权利要求1的方法，其中的预热和退火步骤在相同热处理室内进行。
7．权利要求1的方法，还包括在将前体层转变为多晶硅之前，将基底冷却至加工温度。
8．一种在玻璃基底上形成薄膜的方法，包括；
在热处理室内预热玻璃基底至第一温度；
在低于第一温度的第二温度下，通过化学汽相沉积在该基底上沉积薄膜；
在热处理室内于第一温度下退火该基底。
9．权利要求8的方法，其中第二温度约为380-400℃。
10．权利要求8的方法，其中第一温度约为400-470℃。
11．权利要求8的方法，其中的薄膜是非晶硅层。
12．权利要求8的方法，其中的薄膜是原硅酸四乙酯层。
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