(57)【要約】【課題】  表面に非晶質シリコン膜が形成された基板の全面を、予め多結晶シリコン膜にすることなく、大きなシリコン結晶粒が得られるレーザアニール方法を提供する。【解決手段】  レーザアニール方法は、（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、パルスレーザ光を照射して、シリコン結晶粒を形成する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたシリコン結晶粒に接する領域を起点とし、連続波レーザ光を第１の方向に走査して、前記非晶質シリコン膜上において、該シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向に成長させる工程とを有する。【選択図】  図１
2006156676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、パルスレーザ光を照射して、シリコン結晶粒を形成する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたシリコン結晶粒に接する領域を起点とし、連続波レーザ光を第１の方向に走査して、前記非晶質シリコン膜上において、該シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向に成長させる工程と
を有するレーザアニール方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）において、前記基板上のビーム断面が前記第１の方向に交差する第２の方向に細長いパルスレーザ光を、該基板に照射して、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並ぶ第１のシリコン結晶粒列を形成し、
前記工程（ｂ）において、前記基板上のビーム断面が前記第２の方向に細長い連続波レーザ光を、前記第１の方向に走査して、前記工程（ａ）で形成された第１のシリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向に成長させる請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
前記工程（ａ）と（ｂ）との間に、さらに、
（ｃ）前記基板上において、前記工程（ａ）でパルスレーザ光が照射された位置から、前記第１の方向に第１の距離だけ離れた位置に、該基板上のビーム断面が前記第２の方向に細長いパルスレーザ光を照射して、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並ぶ第２のシリコン結晶粒列を形成する工程を有し、
前記工程（ｂ）において、前記工程（ａ）及び（ｃ）で形成された第１及び第２のシリコン結晶粒列に挟まれた領域を連続波レーザ光で走査して、シリコン結晶粒を成長させ、
前記工程（ｂ）の後、さらに、
（ｄ）前記基板上のビーム断面が前記第２の方向に細長い連続波レーザ光を、前記工程（ｃ）で形成された第２のシリコン結晶粒列に接する領域を起点とし、前記第１の方向に走査して、前記非晶質シリコン膜上において、該第２のシリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向に成長させる工程
を有する請求項２に記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）の後、さらに、
（ｅ）前記非晶質シリコン膜上において、前記工程（ｂ）で走査された領域の前記第１の方向に関する端に接する領域に、前記基板上のビーム断面が前記第２の方向に細長いパルスレーザ光を照射して、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並ぶ第２のシリコン結晶粒列を形成する工程と、
（ｆ）前記基板上のビーム断面が前記第２の方向に細長い連続波レーザ光を、前記工程（ｅ）で形成された第２のシリコン結晶粒列に接する領域を起点とし、前記第１の方向に走査して、前記非晶質シリコン膜上において、該第２のシリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向に成長させる工程と
を有する請求項２に記載のレーザアニール方法。
【請求項５】
（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、該基板上のビーム断面が第１の方向に細長いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、該連続波レーザ光の照射期間が、該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、複数のシリコン結晶粒が該第１の方向に並んだシリコン結晶粒列を形成する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたシリコン結晶粒列の前記第１の方向に長い縁に接する領域に、前記基板上のビーム断面が第１の方向に細長いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、該連続波レーザ光の照射期間が、該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、該シリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向と交差する方向に成長させる工程と
を有するレーザアニール方法。
【請求項６】
（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布がビーム断面の該第１の方向に関する中心近傍で最も高いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、該連続波レーザ光の照射期間が、該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、該パルスレーザ光のビーム断面の該第１の方向に関する中心と、該ビーム断面の該第１の方向に関する一方の端との間に、第１のシリコン結晶粒を形成するとともに、該中心と、該ビーム断面の該第１の方向に関する他方の端との間に、第２のシリコン結晶粒を形成し、さらに、該第１及び第２のシリコン結晶粒を、互いに接触するまで該第１の方向に成長させる工程
を有するレーザアニール方法。
【請求項７】
前記工程（ａ）において、前記基板上のビーム断面が、前記第１の方向に交差する第２の方向に細長いパルスレーザ光を、該基板に照射して、該パルスレーザ光のビーム断面の該第１の方向に関する中心軸と、ビーム断面の該第１の方向に長い一方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並んだ第１のシリコン結晶粒列を形成するとともに、該中心軸と、ビーム断面の該第１の方向に長い他方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並んだ第２のシリコン結晶粒列を形成し、該第１及び第２のシリコン結晶粒列を、互いに接触するまで該第１の方向に成長させる請求項６に記載のレーザアニール方法。
【請求項８】
前記工程（ａ）の後、さらに、
（ｂ）前記非晶質シリコン膜上で、前記第２のシリコン結晶粒列の前記第２の方向に長い縁に接する領域に、前記基板上のビーム断面が前記第２の方向に長く、ビーム断面内の前記第１の方向に関する光強度分布がビーム断面の該第１の方向に関する中心近傍で最も高いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、当該連続波レーザ光の照射期間が、当該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、当該パルスレーザ光のビーム断面の前記第１の方向に関する中心軸と、ビーム断面の該第１の方向に長い一方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並んだ第３のシリコン結晶粒列を形成するとともに、当該パルスレーザ光のビーム断面の該第１の方向に関する中心軸と、ビーム断面の該第１の方向に長い他方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒が該第２の方向に並んだ第４のシリコン結晶粒列を形成し、該第３及び第４のシリコン結晶粒列を、互いに接触するまで該第１の方向に成長させる工程
を有する請求項７に記載のレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザアニール方法に関し、特に、レーザ光によりシリコン結晶粒を成長させるレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面に非晶質シリコン膜が形成された基板にレーザ光を照射することにより、シリコン結晶粒を成長させるレーザアニールが行われている。レーザアニールには、例えば、エキシマレーザ発振器から出射するパルスレーザ光が用いられる。エキシマレーザ発振器から出射されるパルスレーザ光は、紫外領域の波長を有する。
【０００３】
エキシマレーザ発振器から出射されるパルスレーザ光を用いたレーザアニール方法の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたレーザアニール方法では、まず、非晶質シリコン膜が形成された基板の全面に、エキシマレーザ発振器（例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器）から出射されるパルスレーザ光を照射して、基板全面に多結晶シリコン膜を形成する。次に、多結晶シリコン膜が形成された基板上を、連続波レーザ光（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第２高調波）で走査する。連続波レーザ光の照射により、多結晶シリコン膜の一部を溶融させ、溶融しなかった部分を核として、シリコン結晶粒を成長させる。このようにして、エキシマレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光のみで結晶化したシリコン結晶粒より大きなシリコン結晶粒が得られる。
【０００４】
エキシマレーザ発振器から出射されるパルスレーザ光を用いたレーザアニール方法の他の例が、特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された方法では、例えば、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光と、例えば、波長４８８ｎｍのＡｒレーザ発振器から出射された連続波レーザ光とを、非晶質シリコン膜が形成された基板の共通の領域に同時に照射する。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光は、ほとんどが非晶質シリコン膜の表面付近で吸収される。Ａｒレーザから出射された連続波レーザ光は、非晶質シリコン膜の厚さ方向のほぼ全域で吸収され、伝導熱によって、基板も加熱される。この方法では、エキシマレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光に、Ａｒレーザ発振器から出射された連続波レーザ光を重畳させて、パルスレーザ光の照射終了後にシリコン膜が冷える速度を遅くすることにより、エキシマレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光のみで結晶化する場合よりも、大きなシリコン結晶粒が得られる。
【０００５】
レーザアニールには、また例えば、固体レーザ発振器（例えば、第２高調波の発生ユニットを含むＮｄ：ＹＬＦレーザ発振器、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ発振器等）から出射される波長５３０ｎｍ程度のパルスレーザ光が用いられる。
【０００６】
固体レーザ発振器から出射されるパルスレーザ光を用いたレーザアニール方法の一例が、特許文献３に開示されている。特許文献３に開示されたレーザアニール方法では、表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、基板上のビーム断面が一方向に細長い形状に整形されたパルスレーザ光が照射される。このようなパルスレーザ光の１ショットにより、複数のシリコン結晶粒がビーム断面の長尺方向に並んだシリコン結晶粒列が形成される。パルスレーザ光をビーム断面の幅方向に所定距離ずつ移動させながら、パルスレーザ光の照射を繰り返すことにより、最初のショットで形成されたシリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶として、走査方向にシリコン結晶を成長させる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５１９０４号公報
【特許文献２】特開２０００−６８５２０号公報
【特許文献３】国際公開第２００４／０４０６２８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のレーザアニール方法では、連続波レーザ光を基板上で走査する前に、基板全面に多結晶シリコン膜を形成する必要がある。
【０００９】
特許文献２のレーザアニール方法を用いれば、パルスレーザ光と連続波レーザ光とを重畳して基板に照射することにより、パルスレーザ光のみを用いる場合よりも、大きなシリコン結晶粒が得られるが、さらに大きなシリコン結晶粒を形成することが望まれている。
【００１０】
特許文献３が開示する方法を用いれば、固体レーザ発振器から出射されたパルスレーザ光によりシリコン結晶粒を形成できるが、より大きなシリコン結晶粒を形成することが望まれている。
【００１１】
本発明の一目的は、表面に非晶質シリコン膜が形成された基板の全面を、予め多結晶シリコン膜にすることなく、大きなシリコン結晶粒が得られるレーザアニール方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、パルスレーザ光と連続波レーザ光とを重畳して照射することにより得られるシリコン結晶粒を、さらに成長させるレーザアニール方法を提供することである。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、表面に非晶質シリコン膜が形成された基板上に、固体レーザ発振器から出射したパルスレーザ光を照射して、シリコン結晶粒を形成する方法に適用可能であり、大きなシリコン結晶粒が形成できるレーザアニール方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の観点によれば、（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、パルスレーザ光を照射して、シリコン結晶粒を形成する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたシリコン結晶粒に接する領域を起点とし、連続波レーザ光を第１の方向に走査して、前記非晶質シリコン膜上において、該シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向に成長させる工程とを有するレーザアニール方法が提供される。
【００１５】
本発明の第２の観点によれば、（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、該基板上のビーム断面が第１の方向に細長いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、該連続波レーザ光の照射期間が、該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、複数のシリコン結晶粒が該第１の方向に並んだシリコン結晶粒列を形成する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたシリコン結晶粒列の前記第１の方向に長い縁に接する領域に、前記基板上のビーム断面が第１の方向に細長いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、該連続波レーザ光の照射期間が、該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、該シリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶とするシリコン結晶粒を、該第１の方向と交差する方向に成長させる工程とを有するレーザアニール方法が提供される。
【００１６】
本発明の第３の観点によれば、（ａ）表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布がビーム断面の該第１の方向に関する中心近傍で最も高いパルスレーザ光と、連続波レーザ光とを、該連続波レーザ光の照射期間が、該パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように照射して、該パルスレーザ光のビーム断面の該第１の方向に関する中心と、該ビーム断面の該第１の方向に関する一方の端との間に、第１のシリコン結晶粒を形成するとともに、該中心と、該ビーム断面の該第１の方向に関する他方の端との間に、第２のシリコン結晶粒を形成し、さらに、該第１及び第２のシリコン結晶粒を、互いに接触するまで該第１の方向に成長させる工程を有するレーザアニール方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１の観点のレーザアニール方法では、パルスレーザ光で形成したシリコン結晶粒を種結晶とし、連続波レーザ光で、連続波レーザ光の走査方向にシリコン結晶粒を成長させることにより、大きなシリコン結晶粒が得られる。
【００１８】
本発明の第２の観点のレーザアニール方法では、１度目のパルスレーザ光及び連続波レーザ光の照射で得られたシリコン結晶粒を種結晶として、２度目のパルスレーザ光及び連続波レーザ光によりシリコン結晶粒を成長させるので、大きな結晶粒が得られる。また、パルスレーザ光に連続波レーザ光を重畳することにより、パルスレーザ光の照射終了後にシリコン膜の溶融部分が冷える速度が遅くなるので、パルスレーザ光のみを照射する場合に比べて、大きなシリコン結晶粒が得られる。
【００１９】
本発明の第３の観点のレーザアニール方法では、パルスレーザ光に連続波レーザ光を重畳することにより、パルスレーザ光の照射終了後にシリコン膜の溶融部分が冷える速度が遅くなるので、パルスレーザ光のみを照射する場合に比べて、大きなシリコン結晶粒が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１を参照して、本発明の第１の実施例によるレーザアニール方法について説明する。図１（Ｂ）に、基板Ｓの概略平面図を示す。基板Ｓの表面に、非晶質シリコン膜が形成されている。基板Ｓに、基板上におけるビーム断面が一方向に細長い形状に整形されたパルスレーザ光を照射する。パルスレーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）である。基板上のビーム断面のサイズは、例えば、長尺方向の長さが１５ｍｍであり、幅が１００μｍである。基板上のビーム断面内のパルスエネルギ密度は、例えば、１．４Ｊ／ｃｍ２である。
【００２１】
図１（Ａ）は、パルスレーザ光の基板Ｓ上のビーム断面内の幅方向に関する光強度分布を示す。ビーム断面の一方の縁から中心に向かって光強度が増加し、ビーム断面の中心近傍で光強度が最も高くなり、ビーム断面の中心から他方の縁に向かって光強度が減少する。
【００２２】
１ショットのパルスレーザ光の照射により、非晶質シリコン膜を溶融させる閾値以上の光強度となる領域で、基板Ｓ上の非晶質シリコン膜が溶融し、また、ビーム断面の縁から中心に向けて温度が高くなる温度勾配が形成される。パルスレーザ光の照射終了後、溶融部分の冷却に伴い、シリコン結晶粒が、ビーム断面の縁側からビーム断面の中心側に向けて成長する。
【００２３】
図１（Ｂ）に戻って説明を続ける。１番目のショットのパルスレーザ光が照射されると、１番目のショットのビーム断面Ｐ１の幅方向に関する中心軸と、ビーム断面Ｐ１の長尺方向に長い一方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒がビーム断面の長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ１１が形成されるとともに、この中心軸と、ビーム断面Ｐ１の長尺方向に長い他方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒がビーム断面の長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ１２が形成される。シリコン結晶粒列Ｃ１１及びＣ１２の各シリコン結晶粒のビーム断面の幅方向に関する長さは、例えば数百ｎｍ〜数μｍである。
【００２４】
なお、このような、ビーム断面の長尺方向に並んだシリコン結晶粒を形成する方法の詳細は、例えば、特許文献３（国際公開第２００４／０４０６２８号パンフレット）に開示されている。
【００２５】
なお、シリコン結晶粒列Ｃ１１及びＣ１２のシリコン結晶粒は、それぞれ、ビーム断面の縁側からビーム断面の中心側に向けて成長する。しかし、両シリコン結晶粒列のシリコン結晶粒が互いに接触する長さまで成長する前に、両者の間で、固化が始まり、微結晶粒が形成される。
【００２６】
１ショット目のパルスレーザ光の照射終了後、基板Ｓ上で、１ショット目の照射位置から、ビーム断面Ｐ１の幅方向に所定距離だけ離れた位置に、２ショット目のパルスレーザ光を照射する。２ショット目が照射されると、２ショット目のパルスレーザ光のビーム断面Ｐ２内で、複数のシリコン結晶粒がビーム断面Ｐ２の長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ２１及びＣ２２が形成される。
【００２７】
以後同様に、基板Ｓ上でビーム断面を幅方向に所定の間隔ずつ移動させながら、パルスレーザ光の照射を繰り返す。多結晶化すべき被加工領域の端部までの照射が完了したら、パルスレーザ光の照射を停止する。
【００２８】
次に、基板Ｓに連続波レーザ光を照射する。連続波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）である。連続波レーザ光の基板上におけるビーム断面も、一方向に細長い形状に整形されている。連続波レーザ光のビーム断面の長尺方向は、基板Ｓに照射されたパルスレーザ光のビーム断面の長尺方向と平行である。連続波レーザ光の基板上におけるビーム断面内のパワー密度は、例えば、数百ｋＷ／ｃｍ２である。連続波レーザ光は、そのビーム断面の幅方向に走査される。連続波レーザ光の基板上の走査速度は、例えば、数百ｍｍ／ｓである。
【００２９】
パルスレーザ光の１番目のショットにより、シリコン結晶粒列Ｃ１１及びＣ１２が形成されている。連続波レーザ光の走査方向について、シリコン結晶粒列Ｃ１１は相対的に後側に、シリコン結晶粒列Ｃ１２は相対的に前側に配置される。パルスレーザ光の他のショットでも、それぞれ、２列のシリコン結晶粒列が形成され、連続波レーザ光の走査方向について、一方の列が相対的に後側に、他方の列が相対的に前側に配置される。各ショットで形成された２列のシリコン結晶粒列のうち、相対的に後側に配置されるものを「後側シリコン結晶粒列」と呼び、相対的に前側に配置されるものを「前側シリコン結晶粒列」と呼ぶこととする。
【００３０】
図１（Ｃ）に示すように、パルスレーザ光の１番目のショットで形成された後側シリコン結晶粒列Ｃ１１の、シリコン結晶粒が並んでいる方向に長い縁に接する領域を起点として、２番目のショットで形成された後側シリコン結晶粒列Ｃ２１まで、連続波レーザ光を走査する。
【００３１】
連続波レーザ光のビーム断面ＣＷの内部で、シリコン膜が溶融し、後側シリコン結晶粒列Ｃ１１の各シリコン結晶粒を種結晶として、シリコン結晶粒が、連続波レーザ光の走査方向に成長する。なお、後側シリコン結晶粒列Ｃ１１とＣ２１との間に配置される前側シリコン結晶粒列Ｃ１２は、連続波レーザ光で溶融させる。
【００３２】
パルスレーザ光の１番目のショットで形成された後側シリコン結晶粒列Ｃ１１と、２番目のショットで形成された後側シリコン結晶粒列Ｃ２１とに挟まれた領域を走査したら、次に、２番目のショットで形成された後側シリコン結晶粒列Ｃ２１と、３番目のショットで形成された後側シリコン結晶粒列とに挟まれた領域を走査する。
【００３３】
このように、パルスレーザ光のあるショットで形成された後側シリコン結晶粒列と、そのショットの直後のショットで形成された後側シリコン結晶粒列とに挟まれた領域を、連続波レーザ光で走査することにより、シリコン膜を結晶化する工程を繰り返す。なお、各ショットで形成された前側シリコン結晶粒列は、連続波レーザ光で溶融させる。
【００３４】
図１（Ｄ）に、被加工領域の端まで連続波レーザ光で走査した後の基板Ｓの平面図を示す。シリコン結晶粒列Ｃ１１等の後側シリコン結晶粒列から成長し、走査方向に長い結晶粒が形成されている。
【００３５】
なお、上述の特許文献３に開示されているような方法を用いると、パルスレーザ光の走査方向について、例えば最大で十数μｍの長さまで、シリコン結晶粒を成長させることができる。なお、例えば、シリコン結晶粒の、走査方向に交差する方向の幅が、走査方向の前方に向かって狭くなっていったり、走査の途中で新たな種結晶が生成したりすることにより、シリコン結晶粒が走査方向に関して成長する長さが限られる。
【００３６】
なお、第１の実施例の方法からパルスレーザ光の照射工程を除き、連続波レーザ光を基板Ｓ上で走査することのみを行う方法について考える。この方法では、走査の起点に照射された連続波レーザ光のビーム断面内で、ビーム断面の長尺方向に複数の種結晶が形成され、各種結晶からシリコン結晶粒がレーザ光の走査方向に成長する。
【００３７】
このように、連続波レーザ光を走査して成長させたシリコン結晶粒は、特許文献３に開示されているような、パルスレーザ光を走査して成長させたシリコン結晶粒よりも、レーザ光の走査方向に関する長さを長くすることができる。なお、連続波レーザ光で成長させたシリコン結晶粒は、パルスレーザ光で成長させたシリコン結晶粒に比べて、結晶粒内の欠陥の密度が低いという知見が得られている。
【００３８】
ただし、連続波レーザ光の走査のみで結晶化を行う場合、走査の起点で形成される種結晶は、特許文献３の方法においてパルスレーザ光で形成される種結晶よりも小さい。そのため、連続波レーザ光の走査のみで得られるシリコン結晶粒は、特許文献３の方法で得られるシリコン結晶粒に比べて、レーザ光の走査方向に交差する方向の幅が細くなる。
【００３９】
第１の実施例のように、パルスレーザ光の照射で種結晶を形成すると、連続波レーザ光で種結晶を形成する場合に比べて、大きな種結晶が得られる。このため、連続波レーザ光の走査のみで結晶化を行う場合よりも、幅が太いシリコン結晶粒を得ることが可能となる。
【００４０】
第１の実施例の方法では、シリコン結晶粒を連続波レーザ光の走査で成長させることにより、特許文献３に開示されているような方法よりも、レーザ光の走査方向に関して長いシリコン結晶粒が得られる。
【００４１】
第１の実施例では、連続波レーザ光でシリコン結晶粒を成長させているので、特許文献３に開示されているような、パルスレーザ光でシリコン結晶粒を成長させる方法に比べて、シリコン結晶粒内の欠陥の密度が低減する。
【００４２】
なお、第１の実施例によるレーザアニール方法では、大きなシリコン結晶粒を得るために、基板全面を予め多結晶化しておく必要がない。
【００４３】
なお、第１の実施例では、被加工領域内に、所定間隔で複数ショットのパルスレーザ光を照射して、種結晶となるシリコン結晶粒列を複数列形成したが、被加工領域の一端に、種結晶となるシリコン結晶粒列を１列形成し、そのシリコン結晶粒列から被加工領域の他端までを連続波レーザ光で走査してもよい。
【００４４】
ただし、連続波レーザ光の走査距離が長くなりすぎると、例えば、パルスレーザ光により形成した相対的に大きな種結晶からの結晶成長が、走査の途中で途切れ、それ以後は、連続波レーザ光により新たに生成した相対的に小さな種結晶からの結晶成長となってしまう懸念がある。連続波レーザ光の走査距離が長くなりすぎると、また例えば、溶融したシリコンが凝集する現象が起こりやすくなること等も懸念される。
【００４５】
第１の実施例の方法では、種結晶となるシリコン結晶粒列を複数形成し、種結晶となるあるシリコン結晶粒列から、種結晶となるその隣りのシリコン結晶粒列までの間を連続波レーザ光で走査する。連続波レーザ光の１回の走査距離が、上述のような不具合の起こらないような距離となるように、種結晶となるシリコン結晶粒列同士の間隔を選ぶことができる。
【００４６】
次に、第１の実施例の変形例によるレーザアニール方法について説明する。第１の実施例の方法では、パルスレーザ光のショットをすべて照射した後に、各ショットで形成されたシリコン結晶粒列同士の間の領域を連続波レーザ光で走査した。変形例として、パルスレーザ光と連続波レーザ光とを交互に照射することもできる。具体的には、まず、基板に１ショット目のパルスレーザ光を照射して、シリコン結晶粒列を形成する。次に、このショットで形成されたシリコン結晶粒列に接する領域を起点とし、連続波レーザ光を所定距離だけ走査し、シリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶として、シリコン結晶粒を走査方向に成長させる。
【００４７】
次に、非晶質シリコン膜上において、連続波レーザ光で走査した領域の、走査方向に関する端に接する領域に、２ショット目のパルスレーザ光を照射して、シリコン結晶粒列を形成する。なお、２番目のショットで形成されたシリコン結晶粒列と、連続波レーザ光の走査によりシリコン結晶粒が形成された領域との間に、結晶化されない隙間ができないように、２ショット目のパルスレーザ光を照射する。
【００４８】
さらに、２番目のショットで形成されたシリコン結晶粒列に接する領域を起点とし、連続波レーザ光を所定距離だけ走査し、２番目のショットで形成されたシリコン結晶粒列の各シリコン結晶粒を種結晶として、シリコン結晶粒を走査方向に成長させる。
【００４９】
このような工程を繰り返すことによっても、レーザ光の走査方向に長く、かつ幅の太いシリコン結晶粒を成長させることができる。
【００５０】
次に、図２を参照して、第２の実施例によるレーザアニール方法について説明する。図２（Ａ）に、基板Ｓの概略平面図を示す。基板Ｓの表面に、非晶質シリコン膜が形成されている。基板Ｓに、基板上におけるビーム断面が一方向に細長い形状に整形されたパルスレーザ光の１番目のショット、及び、基板上において、パルスレーザ光のビーム断面を含むような大きさのビーム断面を有する連続波レーザ光を照射する。なお、図には、パルスレーザ光の１番目のショットのビーム断面Ｐ１ａと連続波レーザ光のビーム断面ＣＷａとが互いに一致している場合を示す。１ショット目のパルスレーザ光が基板Ｓに照射されている期間を含むように、連続波レーザ光を、基板Ｓに照射する。パルスレーザ光及び連続波レーザ光は、それぞれ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）である。
【００５１】
なお、パルスレーザ光の基板上のビーム断面内の幅方向に関する光強度分布は、第１の実施例で照射したパルスレーザ光のそれと同様である。すなわち、図１（Ａ）に示したように、ビーム断面の一方の縁から中心に向かって光強度が増加し、ビーム断面の中心近傍で光強度が最も高くなり、ビーム断面の中心から他方の縁に向かって光強度が減少する。
【００５２】
パルスレーザ光の１番目のショットにより、ビーム断面Ｐ１ａの幅方向に関する中心軸と、ビーム断面Ｐ１ａの長尺方向に長い一方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒がビーム断面Ｐ１ａの長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ１１ａが形成されるとともに、ビーム断面Ｐ１ａの中心軸と、ビーム断面Ｐ１ａの長尺方向に長い他方の縁との間に、複数のシリコン結晶粒がビーム断面Ｐ１ａの長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ１２ａが形成される。
【００５３】
図２（Ｂ）に示すように、次に、パルスレーザ光及び連続波レーザ光のビーム断面を、ビーム断面の幅方向に移動させ、シリコン結晶粒列Ｃ１１ａの、シリコン結晶粒が並んでいる方向に長い縁に接する領域に、２ショット目のパルスレーザ光及び連続波レーザ光を照射する。２ショット目のパルスレーザ光が基板Ｓに照射されている期間を含むように、連続波レーザ光を基板Ｓに照射する。
【００５４】
シリコン結晶粒列Ｃ１１ａの各シリコン結晶粒を種結晶として、シリコン結晶粒が、２ショット目のパルスレーザ光のビーム断面Ｐ２ａの中心軸に向かって成長する。また、ビーム断面Ｐ２ａの長尺方向に長い縁のうち、シリコン結晶粒列Ｃ１１ａから遠い側の縁と、ビーム断面Ｐ２ａの幅方向に関する中心軸との間に、複数のシリコン結晶粒がビーム断面Ｐ２ａの長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ２２ａが形成される。
【００５５】
図２（Ｃ）に示すように、以後、同様に、基板Ｓ上でパルスレーザ光及び連続波レーザ光のビーム断面をその幅方向に移動させながら、パルスレーザ光及び連続波レーザ光を照射することにより、ビーム断面の移動方向にシリコン結晶粒を成長させる。なお、各ショットで形成される２列のシリコン結晶粒列のうち、ビーム断面の移動方向に関して相対的に前側に配置された方のシリコン結晶粒列は、それを形成したショットの後に照射されるショットで溶融させる。なお、連続波レーザ光は、基板Ｓに絶え間なく照射しなくともよい。パルスレーザ光が照射されていない期間内に、連続波レーザ光が基板Ｓに照射されない期間を設けてもよい。
【００５６】
第２の実施例の方法では、パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように、連続波レーザ光が照射される。パルスレーザ光のみを照射した場合に比べて、パルスレーザ光の照射終了後の溶融部分の冷却速度が遅くなる。これにより、パルスレーザ光のみを照射する場合に比べて、１ショットのパルスレーザ光でビーム断面の幅方向に成長するシリコン結晶粒の長さを伸ばせる。つまり、走査方向に所望の長さまでシリコン結晶粒を成長させたいとき、パルスレーザ光のみを照射して成長させる場合に比べて、少ないショット数で成長させることができる。
【００５７】
第２の実施例の方法では、パルスレーザ光と連続波レーザ光とを照射してシリコン結晶粒を成長させる。連続波レーザ光を照射することにより、パルスレーザ光のみを照射する場合に比べて、欠陥の密度が低いシリコン結晶粒を得られる。
【００５８】
第２の実施例と、第１の実施例及びその変形例との、レーザ光の照射条件の違いについて説明する。第２の実施例では、連続波レーザ光が重畳されたパルスレーザ光によりシリコン膜を溶融させる。そのため、第２の実施例で照射されるパルスレーザ光の基板上でのパルスエネルギ密度は、第１の実施例またはその変形例の方法で照射されるパルスレーザ光の基板上でのそれより低い。また、第２の実施例で照射される連続波レーザ光は、それのみでは、シリコン膜を溶融させる必要がない。一方、第１の実施例またはその変形例の方法で照射される連続波レーザ光は、それのみで、シリコン膜を溶融させる必要がある。そのため、第２の実施例で照射される連続波レーザ光の基板上でのパワー密度は、第１の実施例またはその変形例の方法で照射される連続波レーザ光の基板上でのそれより低い。
【００５９】
次に、図３を参照して、第３の実施例によるレーザアニール方法について説明する。まず、図２（Ａ）を参照して説明した工程と同様に、基板Ｓに１ショット目のパルスレーザ光及び連続波レーザ光を照射する。ビーム断面の幅が、第２の実施例のそれよりも狭く設定されている。
【００６０】
図３（Ａ）に示すように、パルスレーザ光の１番目のショットのビーム断面Ｐ１ｂ及び連続波レーザ光のビーム断面ＣＷｂの内部に、ビーム断面Ｐ１ｂの長尺方向に複数のシリコン結晶粒が並んだシリコン結晶粒列Ｃ１１ｂ及びＣ１２ｂが形成される。シリコン結晶粒列Ｃ１１ｂ及びＣ１２ｂのシリコン結晶粒が、ビーム断面Ｐ１ｂの幅方向に関する中心近傍で互いに接触するように、パルスレーザ光のビーム断面の幅が細く設定されている。
【００６１】
図３（Ｂ）に示すように、次に、パルスレーザ光及び連続波レーザ光のビーム断面を、ビーム断面の幅方向に移動させ、パルスレーザ光の１ショット目で形成されたシリコン結晶粒列のうち、ビーム断面の移動方向について前側に配置されたシリコン結晶粒列Ｃ１２ｂの、シリコン結晶粒が並んでいる方向に長い縁のうち、ビーム断面の移動方向について前側の縁に接する領域に、２ショット目のパルスレーザ光及び連続波レーザ光を照射する。
【００６２】
両レーザ光により、非晶質シリコン膜を溶融させ、パルスレーザ光の２番目のショットのビーム断面Ｐ２ｂ及び連続波レーザ光のビーム断面ＣＷｂの内部で、複数のシリコン結晶粒がビーム断面Ｐ２ｂの長尺方向に並んだシリコン結晶粒列Ｃ２１ｂ及びＣ２２ｂを形成する。シリコン結晶粒列Ｃ２１ｂ及びＣ２２ｂのシリコン結晶粒が、ビーム断面Ｐ２ｂの幅方向に関する中心近傍で互いに接触する。２番目のショットで結晶化される領域が、１番目のショットで結晶化される領域と、互いに隙間なく接するように、パルスレーザ光の２番目のショット及び連続波レーザ光の照射位置が決められる。
【００６３】
図３（Ｃ）に示すように、以後、同様に、パルスレーザ光及び連続波レーザ光のビーム断面を、ビーム断面の幅方向に移動させながら、基板Ｓに両レーザ光を照射することにより、被加工領域の端まで隙間なくシリコン結晶粒を形成する。なお、連続波レーザ光は、基板Ｓに絶え間なく照射しなくともよい。パルスレーザ光が照射されていない期間内に、連続波レーザ光が基板Ｓに照射されない期間を設けてもよい。
【００６４】
第３の実施例によるレーザアニール方法でも、第２の実施例の方法と同様に、パルスレーザ光の照射期間と重なりを持つように、連続波レーザ光が照射される。これにより、溶融部分の冷却速度が遅くなり、パルスレーザ光のみを照射した場合に比べて、シリコン結晶粒がパルスレーザ光のビーム断面の幅方向に成長する長さが伸びる。また、連続波レーザ光の照射により、パルスレーザ光のみを照射した場合よりも、シリコン結晶粒内の欠陥の密度が低減される。
【００６５】
次に、図４を参照して、上述の実施例及び変形例のレーザアニール方法に用いることができるレーザアニール装置の例について説明する。レーザ光源１ａ及び１ｂが、それぞれ、パルスレーザ光及び連続波レーザ光を出射する。レーザ光源１ａ及び１ｂは、例えば、第２高調波発生ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器である。
【００６６】
レーザ光源１ａから出射したパルスレーザ光が、シャッタ２ａを通過し、折り返しミラー３で反射され、偏光ビームスプリッタ４に入射する。偏光ビームスプリッタ４が、Ｐ波を透過させ、Ｓ波を反射する。折り返しミラー３で反射されて偏光ビームスプリッタ４に入射するレーザ光が、偏光ビームスプリッタ４に対するＳ波となるように、レーザ光源１ａが、直線偏光にされたパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１ｂから出射した連続波レーザ光が、シャッタ２ｂを通過し、偏光ビームスプリッタ４に入射する。レーザ光源１ｂは、偏光ビームスプリッタ４に対するＰ波となるように直線偏光にされた連続波レーザ光を出射する。
【００６７】
レーザ光源１ａから出射され、偏光ビームスプリッタ４で反射されたパルスレーザ光と、レーザ光源１ｂから出射され、偏光ビームスプリッタ４を透過した連続波レーザ光とが、共通の光路に沿って伝搬する（同軸上に重畳される）。
【００６８】
パルスレーザ光と連続波レーザ光とが同軸上に重畳されたレーザ光が、ホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５が、それに入射したレーザ光のビーム断面を、ホモジナイズ面５Ａにおいて、一方向に細長い形状に整形するともに、ホモジナイズ面５Ａにおけるビーム断面内の長尺方向に関する光強度分布を均一に近づける。ホモジナイザ５として、例えば、アレイレンズとフォーカスレンズとを含んで構成されるものを用いることができる。回折光学素子で構成されるホモジナイザを用いても良い。
【００６９】
ホモジナイズ面５Ａ上に、マスク６が配置されている。マスク６は、ホモジナイズ面５Ａ上におけるレーザ光のビーム断面の幅方向に関する両端部以外の光を透過させるような、一方向に細長い形状の開口を有する。マスク６は、ホモジナイズ面５Ａ上におけるレーザ光のビーム断面の幅方向に関する両端部の光を遮蔽し、残りの部分の光を透過させる。マスク６を透過したレーザ光が、レンズ７を経て、基板Ｓに照射される。基板Ｓは、例えば、表面に非晶質シリコン膜が形成されたガラス基板である。レンズ７が、マスクの開口を、基板Ｓの表面に結像させる。レーザ光により、基板Ｓのシリコン膜が結晶化される。シリコン膜が結晶化された基板Ｓは、シリコン膜に、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が作製され、例えば液晶表示装置の構成部品となる。
【００７０】
ステージ８が、基板Ｓを保持し、基板Ｓの表面に平行な２次元方向に基板Ｓを移動させる。ステージ８が基板Ｓを移動させることにより、基板Ｓ上におけるレーザ光のビーム断面を所望の位置に移動することができる。制御装置９が、ステージ８を制御する。
【００７１】
シャッタ２ａ及び２ｂが、レーザ光源１ａ及び１ｂの出射するレーザ光のそれぞれを、所望の期間のみ基板Ｓに照射させる。制御装置９が、シャッタ２ａ及び２ｂを制御する。
【００７２】
第１の実施例及びその変形例、第２の実施例、及び第３の実施例によるレーザアニール方法のそれぞれに応じて、パルスレーザ光と連続波レーザ光とが、基板Ｓに所望のタイミングで照射されるように、シャッタ２ａ及び２ｂが制御され、レーザ光が基板Ｓ上の所望の位置に照射されるように、ステージ８が制御される。
【００７３】
なお、図４に示した装置の他に、パルスレーザ光及び連続波レーザ光を基板上で重畳できる公知の構成の装置を、必要に応じて用いても構わない。複数のレーザ光源から出射されるパルスレーザ光を重畳させて、基板に照射されるパルスレーザ光のパルスエネルギ密度を向上させてもよい。複数のレーザ光源から出射される連続波レーザ光を重畳させて、基板に照射される連続波レーザ光のパワー密度を向上させてもよい。
【００７４】
なお、第１の実施例及びその変形例では、パルスレーザ光と連続波レーザ光とを、基板に同時には照射しなくてよい。パルスレーザ光を基板に照射するための装置と、連続波レーザ光を基板に照射するための装置とを、別々に用意することもできる。
【００７５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、第１の実施例によるレーザアニール方法を説明するための基板の平面図である。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、第２の実施例によるレーザアニール方法を説明するための基板の平面図である。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、第３の実施例によるレーザアニール方法を説明するための基板の平面図である。
【図４】実施例のレーザアニール方法に用いられるレーザアニール装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７７】
Ｓ  基板
Ｐ１、Ｐ２  パルスレーザ光のビーム断面
Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２  シリコン結晶粒列
ＣＷ  連続波レーザ光のビーム断面
【図１】
2006156676.tif 000003
【図２】
2006156676.tif 000004
【図３】
2006156676.tif 000005
【図４】
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