(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の加熱を行うことなく、前記基板の上層に有る非晶質シリコン膜である非晶質膜に、３４０〜３５８ｎｍの波長からなり、１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有するパルスレーザ光を１〜１０回のショット数で照射して、前記非晶質膜を結晶融点を超えない温度に加熱して５０ｎｍ以下の結晶粒に結晶化させることを特徴とする結晶質膜の製造方法。
【請求項２】
前記パルスレーザ光は、前記非晶質膜をその融点を超えない温度または、前記融点を超えて結晶融点を超えない温度に加熱することを特徴とする請求項１記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項３】
前記結晶化は、結晶化率６０〜９５％の範囲で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項４】
前記パルスレーザ光のパルス幅が５〜１００ｎｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項５】
前記パルスレーザ光のパルス周波数が６〜１０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項６】
前記非晶質膜に照射されるパルスレーザ光の短軸幅が１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項７】
前記パルスレーザ光を前記非晶質膜に対し相対的に走査しつつ前記照射を行い、該走査速度を５０〜１０００ｍｍ／秒とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項８】
前記パルスレーザ光を光学系にて長方形またはラインビーム状にビーム整形し、該光学系を高速に動かすことにより前記走査を行うことを特徴とする請求項７記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項９】
前記結晶化によって大きさが５０ｎｍ以下で突起のない微結晶を得ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の結晶質膜の製造方法。
【請求項１０】
波長３４０〜３５８ｎｍのパルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光を非晶質シリコン膜である非晶質膜に導いて照射する光学系と、前記レーザ光が加熱されていない基板の上層に有る前記非晶質膜上で１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で照射されるように前記パルスレーザ光源から出力された前記パルスレーザ光の減衰率を調整するアッテネータと、前記パルスレーザ光が前記非晶質膜上で１〜１０ショットの範囲内でオーバラップ照射されて５０ｎｍ以下の結晶粒が得られるように前記レーザ光を前記非晶質膜に対し相対的に移動させる走査装置とを備えることを特徴とする結晶質膜製造装置。
【請求項１１】
前記パルスレーザ光源は、パルス周波数６〜１０ｋＨｚのパルスレーザ光を出力するものであることを特徴とする請求項１０記載の結晶質膜製造装置。
【請求項１２】
前記光学系は、前記パルスレーザ光を短軸幅１．０ｍｍ以下の長方形またはラインビーム状にビーム整形するものであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の結晶質膜製造装置。
【請求項１３】
前記パルスレーザ光源は、パルス幅５〜１００ｎｓのパルスレーザ光を出力するものであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の結晶質膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非晶質膜にパルスレーザ光を照射して該非晶質膜を微細結晶化させて結晶質膜を作製する結晶質膜の製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置などの薄型表示器フラットパネルディスプレイに用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の結晶化シリコンの製造には、基板上層に設けられたアモルファスシリコン膜にパルスレーザ光を照射して溶融、再結晶化させる方法（レーザアニール法）やアモルファスシリコン膜を上層に有する前記基板を加熱炉で加熱して、前記シリコン膜を溶融せずに固体のまま結晶成長させる固相成長法（SPC:Solid Phase Crystallization）の２つの方法が一般的に用いられている。【０００３】
また、本発明者らは、基板温度を加熱状態に保った状態でパルスレーザ光を照射することにより固相成長により微細な多結晶膜が得られることを確かめ、これを提案している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４７４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では、大型のＴＶ用ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode）パネルやＬＣＤ (Liquid Crystal Display) パネルを製造するに当たり、均一で大面積の微細な多結晶シリコン膜を安価に製造する方法が求められている。
また、最近、液晶ディスプレイに変わって次世代ディスプレイとして有力視されている有機ＥＬディスプレイでは、有機ＥＬ自体が発光することによってスクリーンの輝度を上げている。有機ＥＬの発光材料はＬＣＤのように電圧駆動ではなく電流駆動であるため、ＴＦＴへの要求が異なっている。アモルファスシリコンによるＴＦＴでは経年変化の抑制が難しく、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の大幅なドリフトが発生し、デバイスの寿命が制限される。一方、ポリシリコンは安定材料のため長寿命である。しかしながらポリシリコンによるＴＦＴでは、ＴＦＴの特性ばらつきは大きい。このＴＦＴ特性のばらつきは、結晶粒径のばらつきや、結晶質シリコンの結晶粒の界面（結晶粒界）がＴＦＴのチャネル形成領域に存在することによりより発生しやすくなる。ＴＦＴの特性ばらつきは、主にチャネル間に存在する結晶粒経と結晶粒界の数に左右されやすい。さらに、結晶粒径が大きいと一般に電子移動度が大きくなる。有機ＥＬディスプレイ用途のＴＦＴは電界電子移動度の高いものは却ってＴＦＴのチャネル長を長くしなければならず、ＲＧＢ（赤・緑・青）それぞれの１画素の大きさがＴＦＴのチャネル長に依存してしまい高解像度が得られない。このため、結晶粒径のバラツキが小さく微細な結晶膜への要求度合いは益々高くなっている。【０００６】
しかし、従来の結晶化方法では、これらの問題を解決することは困難である。
なぜなら、その一つのレーザアニール法は、アモルファスシリコンを一旦溶融させ再結晶化させるプロセスであり、一般に形成される結晶粒径が大きく、結晶粒径のバラツキも大きい。このため、先に述べたように電界電子移動度が高く、複数のＴＦＴのチャネル領域内の結晶粒径の数にばらつきが生まれることや、ランダムな形状、隣り合う結晶の結晶配向性の違いが、結果ＴＦＴの特性ばらつきに大きく影響する。特にレーザ重ねあわせ部に結晶性の違いが現れやすく、この結晶性の違いがＴＦＴの特性ばらつきに大きく影響する。また、表面のコンタミネーション（不純物）により、結晶に欠陥が生じるといった問題もある。【０００７】
また、固相成長法（ＳＰＣ法）により得られる結晶は、粒径が小さくＴＦＴばらつきは少なく、上記課題を解決する最も有効な結晶化方法である。しかしながら、結晶化時間が長く、量産用途としては採用されにくい。固相成長法（ＳＰＣ）を可能にする熱処理工程では、複数枚の基板を同時に処理するバッチタイプの熱処理装置が使用される。大量の基板を同時に加熱することから、昇温および降温に長時間を要するとともに基板内の温度が不均一になりやすい。また、固相成長法はガラス基板の歪点温度よりも高い温度で長時間加熱すると、ガラス基板自体の収縮、膨張を引き起こしガラスにダメージを与える。ＳＰＣの結晶化温度は、ガラス転移点より高いので、少しの温度分布でガラス基板のたわみや収縮分布が発生する。その結果結晶化が可能であっても露光工程などのプロセスに支障が生じてデバイスの作製が困難になる。処理温度が高いほど温度均一性が要求される。一般に結晶化速度は加熱温度に依存し、６００℃で１０〜１５時間、６５０℃で２〜３時間、７００℃で数１０分の処理時間が必要となる。ガラス基板にダメージを与えることなく処理するためには長時間の処理時間が必要となりこの方法は量産用途として採用し難い。【０００８】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、結晶粒径のバラツキが少ない微細な結晶質膜を基板にダメージを与えることなく非晶質膜から効率よく作製することができる結晶質膜の製造方法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】
【０００９】
すなわち、本発明の結晶質膜の製造方法のうち、第１の本発明は、基板の加熱を行うことなく、前記基板の上層に有る非晶質シリコン膜である非晶質膜に、３４０〜３５８ｎｍの波長からなり、１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有するパルスレーザ光を１〜１０回のショット数で照射して、前記非晶質膜を結晶融点を超えない温度に加熱して５０ｎｍ以下の結晶粒に結晶化させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の結晶質膜製造装置は、波長３４０〜３５８ｎｍのパルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光を非晶質シリコン膜である非晶質膜に導いて照射する光学系と、前記レーザ光が加熱されていない基板の上層に有る前記非晶質膜上で１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で照射されるように前記パルスレーザ光源から出力された前記パルスレーザ光の減衰率を調整するアッテネータと、前記パルスレーザ光が前記非晶質膜上で１〜１０ショットの範囲内でオーバラップ照射されて５０ｎｍ以下の結晶粒が得られるように前記レーザ光を前記非晶質膜に対し相対的に移動させる走査装置とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、紫外波長域のパルスレーザ光を適度なエネルギー密度と適度なショット数で非晶質膜に照射して急速に加熱することで、非晶質膜が結晶融点を超えない温度に加熱され、従来の溶融・再結晶化法と異なる手法で粒径のバラツキの小さな均一な微細結晶、例えば  大きさが５０ｎｍ以下で突起のない微細結晶を得ることできる。従来方式の溶融結晶化法では結晶粒径が５０ｎｍを越えて大きくなり、また、この溶融結晶化法や加熱炉によるＳＰＣ（固相成長法）では結晶粒のばらつきが大きくなり、微細結晶を得ることができない。
また、本発明によれば、結晶の融点を超えない温度にまでしか加熱されないので、結晶化される膜自体はそれ以上は相変化せず、例えばアモルファスシリコンのみを結晶シリコンへ変化させるためパルスレーザ光の重ね合わせ箇所も同様の結晶性が得られ、均一性が向上する。なお、本発明条件によるパルスレーザ光の照射によって、非晶質膜を従来の固相成長法に比べて高温に加熱することができる。【００１２】
また、連続発振ではなくパルスレーザ光を採用することで、下地の基板はダメージを受けるような温度になりにくい。なお、本発明においては基板の加熱は不要であり、基板の加熱を行うことなく前記パルスレーザ光の照射を行う。
【００１３】
なお、基板上に設けられる非晶質膜は、水素含有量が多いと、溶融結晶化法のような高いエネルギーで照射する際に、Ｓｉ−Ｈの分子結合が切れやすく、アブレーションしやすいため脱水素される場合があるが、本発明では、シリコンは固相のまま変化し、アブレーションは発生しにくいため脱水素していない非晶質膜を処理することが可能である。
次に、本発明で規定する条件について以下に説明する。【００１４】
波長域：３４０〜３５８ｎｍ
上記波長域は、非晶質膜、特にアモルファスシリコン膜に対し、吸収のよい波長域であるので、該波長域のパルスレーザ光で非晶質膜を直接加熱することができる。したがって、非晶質膜の上層に間接的にレーザ吸収層を設ける必要がない。また、レーザ光が非晶質膜で十分に吸収されるため、レーザ光によって基板が加熱されるのを防止でき、基板の撓みや変形が抑えられ基板のダメージを回避できる。
なお、レーザ光の波長が、非晶質膜、特にアモルファスシリコン膜に対し吸収はあるが、透過するようなものであると、下層側からの多重反射により、非晶質膜の照射部分に対する光の吸収率が非晶質膜下層の厚みの偏差（ばらつき）に大きく依存してしまう。上記波長域であれば、レーザ光は非晶質膜、特にシリコン膜の表層で完全に光吸収させることができるため、下層の膜厚ばらつきをあまり考慮せずに多結晶膜を得ることができる。また、非晶質膜の透過を殆ど無視できるので、金属上に非晶質膜が形成されたものへの適用も可能である。【００１５】
すなわち、結晶化に用いるレーザ光の波長域を可視域にすると、５０ｎｍ厚程度のシリコンは光吸収するが透過する光も存在するため、シリコン下層（ＳｉＯ２、ＳｉＮ層などのバッファー層）からの多重反射が影響し、シリコン下層のバッファー層の厚みを均一にしなければ、シリコンの光吸収率も変化してしまうといった問題がある。シリコンの上層にＳｉＯ２などのキャッピング層を設ける方式でも同様に問題がある。
また、パルスレーザ光の波長域を赤外域にすると、５０ｎｍ厚程度のシリコンには殆ど光吸収しないため、シリコンの上層部に光吸収層を設けることが一般的である。しかし本方式を用いると、光吸収層を塗布する工程と、パルスレーザ照射後に除去する工程が自ずと増えてしまうという問題がある。
上記各観点から、本願発明ではパルスレーザ光の波長域を紫外域の３４０〜３５８ｎｍに定めている。【００１６】
エネルギー密度：１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２
非晶質膜に適度なエネルギー密度（非晶質膜上）のパルスレーザ光を照射することにより、非晶質膜は固相のまま、またはアモルファスの融点を超え、かつ結晶融点を越えない温度にまで加熱されて結晶化され、微結晶が作製できる。エネルギー密度が低いと非晶質膜の温度が十分に上がらずに結晶化が十分になされなかったり、結晶化が困難になる。一方、エネルギー密度が高いと、溶融結晶が生じたり、アブレーションが生じてしまう。このため、パルスレーザ光のエネルギー密度を１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２に限定する。【００１７】
ショット数：１〜１０回
非晶質膜にパルスレーザ光を照射する際に、同一領域に照射されるショット数を適切に定めることで、照射するビーム面積内でエネルギーばらつきがあっても、複数回照射することにより、結晶化される温度が均一化され、結果、均一な微結晶が作製できる。
ショット数が多いと、非晶質膜は結晶融点を超える温度まで加熱され、溶融またはアブレーションが発生する場合がある。また、ショット数の増大に応じて処理時間が長くなり、効率が悪い。【００１８】
結晶化率：６０〜９５％
上記波長、エネルギー密度、ショット数の条件内で、結晶化の際の結晶化率を６０〜９５％に定めるのが望ましい。結晶化率が６０％未満であると、薄膜トランジスタなどとして用いる際に十分な特性が得られ難くなる。非晶質膜に与えられるエネルギーが少ないと、結晶化率を６０％以上にすることができない。また、結晶化率が９５％を越えると、結晶の粗大化が進み、微細で均一な結晶を得ることが難しくなる。結晶融点を超えてパルスレーザ光を照射すると結晶化率９５％超になりやすくなる。
なお、結晶化率は、具体的には、ラマン分光によって得られる結晶ピークの面積および非結晶ピークの面積の比率（結晶化Ｓｉピークの面積／（非結晶Ｓｉピークの面積＋結晶化Ｓｉピークの面積）によって決定することができる。【００１９】
なお、パルスレーザ光のパルス幅（半値幅）は、５〜１００ｎｓとするのが望ましい。パルス幅が小さいとピークパワー密度が増大し、融点を超える温度まで加熱され、溶融またはアブレーションする場合がある。パルス幅が大きいとピークパワー密度が減少し、固相結晶化させる温度まで加熱できない場合がある。【００２０】
さらに、パルスレーザ光のパルス周波数は６〜１０ｋＨｚが望ましい。
パルスレーザ光のパルス周波数は、ある程度高くすることで（６ｋＨｚ以上）、ショット間の時間間隔が小さくなりパルスレーザ光照射による熱が非晶質膜で保持されるため、結晶化に有効に作用する。一方、パルス周波数が高くなりすぎると、溶融、アブレーションが生じやすくなる。【００２１】
また、前記パルスレーザ光の短軸幅は１．０ｍｍ以下とするのが望ましい。
短軸幅方向にパルスレーザ光を相対的に走査することで、非晶質膜を部分的に照射・加熱しつつ大領域の結晶化処理が可能になる。但し、短軸幅が大きすぎると効率よく結晶化するために走査速度を大きくしなければならず、装置コストが増大してしまう。【００２２】
前記パルスレーザ光を非晶質膜に対し相対的に走査することで、前記非晶質膜を面方向に沿って結晶化させることが可能になる。該走査は、パルスレーザ光側を移動させてもよく、非晶質膜側を移動させてもよく、両方を移動させるようにしてもよい。上記走査は、５０〜１０００ｍｍ／秒の速度で行うのが望ましい。
この走査速度が小さいと、ピークパワー密度が増大し、非晶質膜が結晶融点を超える温度にまで加熱され、溶融またはアブレーションする場合がある。また、走査速度が大きいと、ピークパワー密度が減少し、固相結晶化させる温度まで加熱できない場合がある。【００２３】
なお、本発明の製造装置は、紫外域のパルスレーザ光を出力する固体レーザ光源を使用して所望の波長域のパルスレーザ光を出力でき、メンテナンス性の良好なレーザ光源により微結晶の作製を行うことができる。パルスレーザ光は、均一な微細結晶を得るためにエネルギー調整部によってエネルギー密度が適切に調整されて非晶質膜に照射することができる。エネルギー調整部は、固体レーザ光源の出力を調整して所定のエネルギー密度が得られるようにしてもよく、固体レーザ光源から出力されたパルスレーザ光の減衰率を調整するなどしてエネルギー密度を調整するようにしてもよい。該パルスレーザ光は、走査装置によって非晶質膜に対し相対的に走査することで、非晶質膜の大領域で適正な結晶化率で微細で均一な結晶を得ることができる。該走査によって非晶質膜に対する同一領域へのショット数が１〜１０となるようにパルスの周波数、パルスレーザ光の短軸幅、走査速度が設定される。
走査装置は、パルスレーザ光が導かれる光学系を移動させてパルスレーザ光を移動させるものでもよく、また、非晶質膜が配置される基台を移動させるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、基板の加熱を行うことなく、前記基板の上層に有る非晶質膜に、３４０〜３５８ｎｍの波長からなり、１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有するパルスレーザ光を１〜１０回のショット数で照射して、前記非晶質膜を結晶融点を超えない温度に加熱して５０ｎｍ以下の結晶粒に結晶化させるので、ＴＦＴのチャネル領域に複数の結晶粒が存在し得るような、平均粒形の小さい結晶質膜を格別に優れた均一性を有して作製することができ、前記の課題を解決できる。最近では、配線幅が小さくなるとともに、ＴＦＴのチャネル形成領域のサイズ（チャネル長、チャネル幅）も小さくなっているため、平均粒径の小さい安定な結晶質膜を基板全域に均一に作製できる方法が求められている。特に隣接領域のＴＦＴ特性の差を最小にする結晶化技術が求められており、本発明によって前記要望を確実に実現することができる。同時に膜表面に付着する不純物をも除去することを可能となる。
また、本発明によれば、装置の低コスト化およびメンテナンス費用の低減化が可能で、稼働率の高い処理が可能であり、よって生産性を高めることができる。
【００２５】
また、本発明によれば、基板（ガラスなど）の転移点を越えない、または転移点を越えたとしても低温にて処理できるプロセスのため、非晶質膜のみをレーザで高温に加熱させ結晶化させることができる。同時に短時間で５０ｎｍ以下の微結晶が生成できるという効果がある。同時に重ねあわせ部も同様の５０ｎｍ以下の微結晶が生成できるという効果がある（大面積の結晶化に有効）。
同時に基板の変位（たわみ・変形・内部応力）を最小限に抑える効果がある。同時に基板が多少加熱されることで非晶質膜内に内在する不純物や表面に付着しているコンタミネーションを除去する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態の製造装置である紫外固体レーザアニール処理装置を示す縦断面図である。
【図２】同じく、実施例において製造条件を変えてパルスレーザを照射した後の薄膜を示すＳＥＭ写真である。
【図３】同じく、他の実施例において製造条件を変えてパルスレーザを照射した後の薄膜を示すＳＥＭ写真である。
【図４】同じく、他の実施例において製造条件を変えてパルスレーザを照射した後の薄膜を示すＳＥＭ写真である。
【図５】同じく、ラマン分光測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明の一実施形態を図１に基づき説明する。
この実施形態の結晶質膜の製造方法では、フラットパネルディスプレイＴＦＴデバイスに用いられる基板８を対象にし、該基板８上には非晶質膜としてアモルファスシリコン薄膜８ａが形成されているものとする。アモルファスシリコン薄膜８ａは、常法により基板８の上層に形成され、脱水素処理が省略されている。
ただし、本発明としては、対象となる基板およびこれに形成された非晶質膜の種別がこれに限定されるものではない。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態の結晶質膜の製造方法に用いられる紫外固体レーザアニール処理装置１を示すものであり、該紫外固体アニール処理装置１は、本発明の結晶質膜製造装置に相当する。
紫外固体レーザアニール処理装置１では、３４０〜３５８ｎｍの波長を有しパルス周波数６〜１０ｋＨｚ、パルス幅５〜１００ｎｓのパルスレーザ光を出力する紫外固体レーザ発振器２が除振台６に設置されており、該紫外固体レーザ発振器２には、パルス信号を生成する制御回路２ａが備えられている。
【００２９】
紫外固体レーザ発振器２の出力側には、アテニュエータ（減衰器）３が配置されており、アテニュエータ３の出力側には、結合器４を介して光ファイバ５が接続されている。光ファイバ５の伝送先には、集光レンズ７０ａ、７０ｂと該集光レンズ７０ａ、７０ｂ間に配置したビームホモジナイザ７１ａ、７１ｂ等を備える光学系７が接続されている。光学系７の出射方向には、基板８を載置する基板載置台９が設置されている。光学系７は、パルスレーザ光を短軸幅が１．０ｍｍ以下の長方形またはラインビーム状に整形するように設定されている。
上記基板載置台９は、該基板載置台９の面方向（ＸＹ方向）に沿って移動可能になっており、該基板載置台９を前記面方向に沿って高速移動させる走査装置１０が備えられている。
【００３０】
次に、上記紫外固体レーザアニール処理装置１を用いたアモルファスシリコン薄膜の結晶化方法について説明する。
先ず、基板載置台９上に、アモルファスシリコン薄膜８ａが上層に形成された基板８を載置する。この実施形態では該基板８はヒータなどによる加熱は行われない。
制御回路２ａでは、予め設定されたパルス周波数（６〜１０ｋＨｚ）、パルス幅５〜１００ｎｓのパルスレーザ光が出力されるようにパルス信号が生成され、該パルス信号によって紫外固体レーザ発振器２より３４０〜３５８ｎｍの波長のパルスレーザ光が出力される。
【００３１】
紫外固体レーザ発振器２から出力されたパルスレーザ光は、アテニュエータ３に至り、これを通過することで所定の減衰率で減衰される。該減衰率は、加工面でパルスレーザ光が本発明規定のエネルギー密度になるように設定される。アテニュエータ３は、減衰率を可変にしてもよい。
エネルギー密度が調整されたパルスレーザ光は、光ファイバ５によって伝送されて光学系７に導入される。光学系７では、上記のように集光レンズ７０ａ、７０ｂ、ビームホモジナイザ７１ａ、７１ｂなどによって短軸幅が１．０ｍｍ以下の長方形またはラインビーム状に整形され、基板８に向けて加工面において１３０〜２４０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で照射される。
【００３２】
上記基板載置台９はアモルファスシリコン薄膜８ａ面に沿って走査装置１０によって、前記ラインビームの短軸幅方向に移動され、この結果、該アモルファスシリコン薄膜８ａ面の広い領域で上記パルスレーザ光が相対的に走査されつつ照射される。なお、この際に走査装置による移動速度の設定によってパルスレーザ光の走査速度を５０〜１０００ｍｍ／秒にして、アモルファスシリコン薄膜８ａの同一領域にパルスレーザ光が１〜１０回のショット数でオーバーラップ照射されるようにする。該ショット数は、前記パルスの周波数、パルス幅、パルスレーザ光の短軸幅、パルスレーザ光の走査速度に基づいて決定される。
【００３３】
上記パルスレーザ光の照射により基板８上のアモルファスシリコン薄膜８ａのみが加熱されて短時間で多結晶化される。この際に、アモルファスシリコン薄膜８ａの加熱温度は、結晶融点を超えない温度となる（例えば１０００℃超〜１４００℃程度）。なお、加熱温度は、アモルファス融点温度を超えない温度、もしくはアモルファス融点温度を超え、結晶融点を超えない温度とすることができる。
上記照射により得られた結晶質薄膜は、結晶粒径が５０ｎｍ以下で、従来の固相結晶成長法に見られるような突起もなく、均一かつ微細な良質な結晶性を有している。例えば、平均結晶粒が２０ｎｍ以下で、標準偏差が１０ｎｍ以下のものを好適に挙げることができる。結晶粒は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定することができる。また、得られた結晶は、ラマン分光による結晶ピークの面積と非結晶ピークの面積との比を基にして結晶化率を算出することができ、該結晶化率は６０〜９５％が望ましい。
上記結晶質薄膜は、有機ＥＬディスプレイに好適に使用することができる。ただし、本発明としては、使用用途がこれに限定されるものではなく、その他の液晶ディスプレイや電子材料として利用することが可能である。
なお、上記実施形態では、基板載置台を移動させることでパルスレーザ光を相対的に走査するものとしたが、パルスレーザ光が導かれる光学系を高速に移動させることでパルスレーザ光を相対的に走査するものとしてもよい。
【実施例１】
【００３４】
次に、本発明の実施例を比較例と比較しつつ説明する。
上記実施形態の紫外固体レーザアニール処理装置１を用いて、ガラス製の基板の表面に常法によって形成されたアモルファスシリコン薄膜にパルスレーザ光を照射する実験を行った。
該実験では、パルスレーザ光の波長を３５５ｎｍの紫外域光とし、パルス周波数を８ｋＨｚ、パルス幅を８０ｎｓｅｃとした。エネルギー密度は、アテニュエータ３によって対象エネルギー密度に調整した。
パルスレーザ光は、光学系によって加工面で円形となるように整形し、加工面におけるエネルギー密度、ビームサイズ、ショット数を変えて、基板上のアモルファスシリコン膜にパルスレーザ光を照射した。アモルファスシリコンは加熱され、結晶シリコンへ変化させた。この照射を行った薄膜を図２に示すＳＥＭ写真により評価した。また、各条件および評価結果を表１に示した。【００３５】
パルスレーザ光のエネルギー密度を７０ｍＪ／ｃｍ２として照射がされた薄膜では、ショット数を８０００回にすると、写真１に示すように、１０−２０ｎｍの微結晶が作製できた。しかし、ショット数が多くて処理時間に長時間を要するため、工業的ではなかった。
また、エネルギー密度を７０ｍＪ／ｃｍ２で、ショット数が８００回のものでは、アモルファス薄膜は結晶化されなかった。これはエネルギー密度が低すぎてショット数を増やしても結晶化に至らなかったものである。
次に、パルスレーザ光のエネルギー密度を１４０、１６０、１８０、２００ｍＪ／ｃｍ２とした場合、写真２〜６に示すように、均一な微細結晶が得られた。      
次に、パルスレーザ光のエネルギー密度を２５０ｍＪ／ｃｍ２とした場合、写真７に示すように、結晶融点を超える温度まで加熱され、溶融されたため、溶融結晶となり、微細結晶が得られなかった。
さらに、パルスレーザ光のエネルギー密度を２６０ｍＪ／ｃｍ２とした場合、写真８に示すようにアブレーションが生じてしまった。
以上に示すように、パルスレーザ光のエネルギー密度、パルス幅、ショット数を適切な範囲に設定することにより初めて均一で微細な結晶化が可能になる。【００３６】
上記写真から明らかなように、本発明法により得られた多結晶シリコン薄膜は、結晶粒径のバラツキが少なく、面全体で均質に多結晶化されており、かつ良質の多結晶シリコン薄膜を得ることができた。また同時に重ねあわせ部も同様な均一な微結晶が生成していることが確認できた。結晶粒は５０ｎｍ以下と小さく突起も生じておらず、結晶質シリコン膜が均一に得られるため、ＴＦＴ特性のばらつきの少ないシリコン膜を提供できることが判明した。【００３７】
【表１】
0005594741.tif 000002
【００３８】
次に本発明の他の実施例と比較例とを比較しつつ説明する。
上記実施形態の紫外固体レーザアニール処理装置１を用いて、ガラス製の基板の表面に常法によって形成されたアモルファスシリコン薄膜に、パルスレーザ光を照射する実験を行なった。該実験では、パルスレーザ光の波長を３５５ｎｍの紫外域光とし、パルス周波数を６〜８ｋＨｚ、パルス幅を８０ｎｓ（ｎｓｅｃ）とした。パルスエネルギー密度はアテニュエータ３によって対象エネルギー密度に調整を行なった。ｓｈｏｔ数は、ステージ速度によって対象ｓｈｏｔ数となるように調整を行なった。各供試材のエネルギー密度、ｓｈｏｔ数を表２に示した。また、以下で測定される結晶化率を同じく表２に示した。
パルスレーザ光は、光学系によって加工面で長方形となるように整形し、基板上のアモルファスシリコンに照射した。アモルファスシリコンは加熱され、結晶シリコンへ変化する。この照射を行なった薄膜を図３、４に示すＳＥＭ写真と図５に例を示すラマン分光測定により評価した。結晶化率は、結晶化率は、ラマン分光測定結果に基づいて、結晶化Ｓｉピークの面積／（非結晶Ｓｉピークの面積＋結晶化Ｓｉピークの面積）の計算式（１）によって算出した。
以下の実施例および比較例では、具体的には、５０ｎｍ厚の薄膜に対し、波長５１４．５ｎｍ、出力２ｍＷのＡｒイオンレーザ光を１ｍｍφに集光して照射してラマン分光測定を行った。図５のラマン測定結果では、５２０ｃｍ−１付近に結晶Ｓｉの鋭いピークが存在し、４８０ｃｍ−１付近のアモルファスＳｉピークがほとんど無いことが分かる。
さらに測定結果に基づいて最小二乗法を用いたガウシアンフィッティングにより、二つのピーク波形に分離し、それぞれのピーク波形から前記計算式（１）によって結晶化率を算出した。
図５に示す例は下記実施例Ｎｏ．３のデータであり、上記算出の結果、結晶化率は約８８％であった。【００３９】
（実施例２）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１３０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１０に示すように、１０〜２０ｎｍ径の微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると８５％であった。またパルス周波数を８ｋＨｚとしても同様の結果が得られた。【００４０】
（実施例３）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１４０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１１に示すように、１０〜２０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると８８％であった。またパルス周波数を８ｋＨｚとしても同様の結果が得られた。【００４１】
（実施例４）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１５０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１２に示すように、１０〜２０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると９０％であった。またパルス周波数を８ｋＨｚとしても同様の結果が得られた。【００４２】
（実施例５）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１６０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１３に示すように、２０〜３０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると９０％であった。またパルス周波数を８ｋＨｚとしても同様の結果が得られた。【００４３】
（実施例６）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１４に示すように、２０〜３０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると９５％であった。またパルス周波数を８ｋＨｚとしても同様の結果が得られた。【００４４】
（実施例７）
パルスレーザ光のエネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１５に示すように、４０〜５０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると９５％であった。またパルス周波数を８ｋＨｚとしても同様の結果が得られた。【００４５】
（比較例１）
パルスレーザ光のエネルギー密度を２５０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１６に示すように、融点を超える温度まで加熱され溶融結晶となり、均一な結晶が得られなかった。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると９７％であった。またショット数を１回に減らしても同様の結果が得られた。【００４６】
（比較例２）
パルスレーザ光のエネルギー密度を２６０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を６ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数６回にすると写真１７に示すように、アブレーションが生じてしまった。【００４７】
（比較例３）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１２０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を８ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数８回にすると結晶化はしたが、Ｓｅｃｃｏエッチングを行なうと、写真１８のように結晶の所々がエッチングされてしまった。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると５４％であった。【００４８】
（実施例８）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１６０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を８ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数２回にすると写真１９に示すように、１０〜２０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると７５％であった。【００４９】
（実施例９）
パルスレーザ光のエネルギー密度を１８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を８ｋＨｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数２回にすると写真２０に示すように、１０〜２０ｎｍの微結晶が作製できた。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると７８％であった。【００５０】
（比較例４）
上記実験とは異なる波長の３０８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザを用いて同様の実験を行なった。パルスレーザ光のエネルギー密度を１８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を３００Ｈｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数８回で結晶化後、ＳＥＭ観察のためにＳｅｃｃｏエッチングを行なうと、結晶化部全てがエッチングされてしまった。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると５４％であった。これは波長が短いために表層面のみ結晶化したためと考えられる。【００５１】
（比較例５）
上記実験とは異なる波長の３０８ｎｍ，パルス幅２０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザを用いて同様の実験を行なった。パルスレーザ光のエネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ２、パルス周波数を３００Ｈｚとして該パルスレーザ光が照射された薄膜では、ショット数８回にすると写真２１に示すように、結晶融点を超える温度まで加熱され溶融結晶となり、均一な結晶が得られなかった。ラマン分光測定により結晶化率を評価すると９７％であった。【００５２】
【表２】
0005594741.tif 000003
【００５３】
なお、実施例３では、平均粒径が１５ｎｍ、標準偏差σが７ｎｍであり、比較例１では、平均結晶粒径が７２ｎｍ、標準偏差σが４２ｎｍであった。 【００５４】
図５と図３、４の写真から明らかなように、本発明で得られた多結晶シリコン薄膜は、結晶粒のばらつきも小さくかつ結晶化率の割合も高い。さらに面全体で均質に多結晶化されており、レーザの重ね合わせ部も同一の結晶が生成されていることも確認できた。結晶粒は５０ｎｍ以下と小さく突起も生じておらず、結晶質シリコン膜が均一に得られるため、ＴＦＴ特性のばらつきの少ないシリコン膜が提供できる。【００５５】
以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は上記説明の範囲に限定をされるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは当然に適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１    紫外固体レーザアニール処理装置
２    紫外固体レーザ発振器
３    アテニュエータ（減衰器）
４    結合器
５    光ファイバ
６    除振台
７    光学系
７０ａ集光レンズ
７０ｂ集光レンズ
７１ａビームホモジナイザ
７１ｂビームホモジナイザ
８    基板
８ａ  アモルファスシリコン薄膜
９    基板載置台
１０    走査装置
【図１】
0005594741.tif 000004
【図５】
0005594741.tif 000005
【図２】
0005594741.tif 000006
【図３】
0005594741.tif 000007
【図４】
0005594741.tif 000008