(57)【要約】【課題】  表面が平坦で、欠陥が少なく、結晶粒が大きい結晶を得る。【解決手段】  第１レーザー発振器１から比較的高い繰り返し周波数でパルス状に照射された第１レーザービームは、第１中間光学系２によって基板６上に収束されて、スリット状の第１ビームスポットを形成する。第２レーザー発振器３から照射された上記第１レーザービームよりも先に立ち上がり且つ後に立ち下がるパルス状の第２レーザービームは、第２中間光学系４によって基板６上に収束されて、第１ビームスポットと相似形であって第１ビームスポットを包含する第２ビームスポットを形成する。そして、基板６または第１,第２ビームスポットを移動させながら、結晶化を行う。こうして、基板６上の半導体薄膜全体を、一方向に成長し且つリッジの無い結晶面にする。【選択図】図１
2006041082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザービームを出射すると共に、基板上の半導体薄膜上に所定幅および所定長を有するストライプ状の第１のビームスポットを形成する第１レーザー照射手段と、
第２のレーザービームを出射すると共に、上記半導体薄膜上に上記第１のビームスポットを包含する形状を有する第２のビームスポットを形成する第２レーザー照射手段と、
上記基板を、上記両ビームスポットに対して相対的に、上記第１のビームスポットの幅方向に移動させる相対移動手段
を備えて、
上記第２レーザー照射手段は、少なくとも上記第１のレーザービームが出射されている間は上記第２のレーザービームを出射すると共に、上記第２のレーザービームの強度を、上記第１のレーザービームの最大強度よりも低く且つ出射開始時点から出射終了時点まで一定に維持するようになっており、
上記第２のビームスポット内における上記第２レーザー照射手段による光強度分布は、少なくとも上記第１のビームスポットと重なる部分において一定である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
上記ストライプ状の第１のビームスポットにおける上記所定幅は、５ミクロン以上且つ５０ミクロン以下である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
上記第２レーザー照射手段によって出射される上記第２のレーザービームは、炭酸ガスレーザービームである
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
上記第２レーザー照射手段は、上記第２のレーザービームをパルス状に出射するようになっている
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
上記第１レーザー照射手段による上記第１のレーザービームの出射周波数は、１ｋＨz以上且つ１００ｋＨｚ以下である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
上記相対移動手段は、
上記基板が載置されると共に、上記基板を上記ビームスポットの幅方向に一端部から他端部まで移動させることが可能であり、且つ、上記基板を９０度回転させることが可能な基板駆動部である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項７】
第１のレーザービームによって基板上の半導体薄膜を照射して、上記半導体薄膜上に所定幅および所定長を有するストライプ状の第１のビームスポットを形成し、
第２のレーザービームによって上記半導体薄膜を照射して、上記半導体薄膜上に上記第１のビームスポットを包含する形状を有する第２のビームスポットを形成し、
上記基板を、上記両ビームスポットに対して相対的に、上記第１のビームスポットの幅方向に移動させて、
上記基板上の半導体薄膜を、レーザービームによって結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法であって、
上記第２のレーザービームによる照射を、少なくとも上記第１のレーザービームによる照射が行われている間は行い、
上記第２のレーザービームの強度を、出射開始時点から出射終了時点まで一定にし、
上記第２のビームスポット内における上記第２のレーザービームによる光強度分布を、少なくとも上記第１のビームスポットと重なる部分において一定にする
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
上記ストライプ状の第１のビームスポットにおける上記所定幅は、５ミクロン以上且つ５０ミクロン以下である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
上記第２のレーザービームは、炭酸ガスレーザービームである
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
上記第２のレーザービームは、パルス状のレーザービームである
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
上記第１のレーザービームの照射周波数は、１ｋＨz以上且つ１００ｋＨｚ以下である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
上記基板を上記第１のビームスポットの幅方向に一端部から他端部まで移動させて、上記基板上の半導体薄膜における１辺側をこの１辺に沿って帯状に結晶化させ、
そうした後、上記基板を９０度回転させ、上記帯状の結晶化領域内の位置を開始位置として、上記基板を上記第１のビームスポットの幅方向に上記１辺に対向する他辺部まで移動させて、上記基板上の半導体薄膜における上記１辺部から他辺部に向う複数の帯状領域を結晶化させる
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザーを用いて半導体薄膜を結晶化させる半導体薄膜の結晶化装置、および、半導体薄膜の結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜トランジスタ(以下、ＴＦＴと言う)の開発が進められており、多結晶シリコン膜(ポリシリコン膜)を用いたＴＦＴが注目されている。特に、液晶表示装置(液晶ディスプレイ)やＥＬ(エレクトロルミネッセンス)表示装置(ＥＬディスプレイ)においては、画素をスイッチングする素子やその画素を制御するための駆動回路を構成する素子として上記ポリシリコン膜を用いたＴＦＴが用いられる。
【０００３】
ところで、上記ポリシリコン膜を得る方法としては、非晶質シリコン膜(アモルファスシリコン膜)を結晶化させてポリシリコン膜とするのが一般的である。特に、最近では、レーザー光を用いて、アモルファスシリコン膜を結晶化する方法が注目されている。この場合、レーザーによる結晶化は、上記アモルファスシリコン膜等の半導体膜のみを加熱して結晶化することが可能である。そのため、ガラス基板やプラスチック基板等の耐熱性の低い基板上に、結晶化された半導体膜を形成する方法として有効な技術なのである。上述したレーザー光を用いた半導体膜の結晶化方法は、特開２００１‐４４１２０号公報(特許文献１),特開平１１‐３０７４５０号公報(特許文献２)および特表２０００‐５０５２４１号公報(特許文献３)に詳しく開示されている。
【０００４】
上記特許文献１には、複数の光源を用いて結晶性の改善を行うレーザ熱処理装置が開示されている。そして、特に、主たる光源として紫外線を用い、従たる光源として固体レーザーから発せられるパルス状のビームを用いることが記載されている。
【０００５】
また、上記特許文献２には、特許文献１のレーザ熱処理装置と同様に、２種類のレーザー光を照射して結晶化させる薄膜の改質装置が開示されている。そして、特に、炭酸ガスレーザーのように、半導体膜に対する大きな吸収はないが、基板に対する吸収が大きなレーザー光を用いることによって、基板の結晶性を改善して、結晶性が改善された基板上に作製されるトランジスタ等の特性を向上させることが記載されている。
【０００６】
また、上記特許文献３には、基板上の半導体領域に線状もしくはスリット状のビームを照射して横方向の成長を発生させ、半導体膜に横方向に大きく結晶を成長させる基板上の半導体領域の結晶化処理が開示されている。但し、特許文献３に開示された基板上の半導体領域の結晶化処理方法の場合、１回の照射で横方向に成長する距離はおおよそ１ミクロン〜２ミクロンであり、大面積の半導体膜を結晶化するためには、上述した結晶成長を逐次繰り返す必要がある。
【０００７】
これらの結晶化方法に用いられるレーザー素子にも様々のレーザー素子がある。先ず、発振の形態でいえば、パルス状の発振を行うパルスレーザー素子と連続的な発振を行う連続発振レーザー素子とに大別される。尚、両者とも上記半導体膜の結晶化に用いられているが、上記パルスレーザー素子は瞬間的に大パワーを与えることができる利点を有しており、半導体膜の結晶化には良く用いられる。
【０００８】
現在、一般的に上記半導体膜の結晶化に用いられているレーザー素子としては、パルス発振型のエキシマレーザー素子がある。この場合、パルス発振の繰り返し周波数はおおよそ１Ｈz〜３００Ｈzである。エキシマレーザー素子は出力が大きく、その発振光は紫外線であるためシリコン膜に対しての吸収係数が高く、且つ、パルス幅が短いために瞬時に加熱が可能で、半導体膜を溶融させても基板温度がさほど上昇しないという利点を有する。
【０００９】
但し、上記エキシマレーザー素子は、発振のためにＫrＦ(波長２４８nm)やＸeＣl(波長３０８nm)等のガスが必要であり、これらのガスのガス供給装置が高価である。さらに、ガス交換や発振管の交換や光学窓の交換等が定期的に必要で、メンテナンス費用が高額であるとい欠点がある。
【００１０】
また、ガスレーザー素子としては、アルゴンガスや炭酸ガスを媒体とした他のレーザー素子を用いることも行われてきた。特に、炭酸ガスレーザー素子は効率が高く、大出力の光を比較的小型の装置で得ることができる。
【００１１】
また、この他に、固体レーザー素子(結晶ロッドを共振キャビティとしたレーザー光を出力するレーザー素子)を発振源とするレーザー光を用いることもできる。上記固体レーザー素子としては、一般的に知られているものが用いられており、ＹＡＧレーザー(通常はＮd：ＹＡＧレーザーを指す)、Ｎd：ＹＶＯ4レーザー、Ｎd：ＹＡlＯ3レーザー、ルビーレーザー、Ｔi：サファイアレーザー、ガラスレーザー等が用いられる。また、ＹＡＧレーザーの基本波(第１高調波）は１０６４nmと波長が長いので、第２高調波(波長５３２nm),第３高調波(波長３５５nm)あるいは第４高調波(波長２６６nm)が用いられることがある。尚、上記基本波は、非線形素子を含む波長変調器によって、第２高調波,第３高調波あるいは第４高調波に変調することができる。各高調波の形成は、公知の技術に従って行われる。
【００１２】
また、上記ＹＡＧレーザーで良く用いられるＱスイッチ法(Ｑ変調スイッチ方式)を用いることもある。これは、レーザー共振器のＱ値を十分低くした状態から、急激にＱ値を高めることによって、非常にエネルギー値が高く急峻なパルスレーザーを出力する方法である。この場合、パルス発振の繰り返し周波数は１００から数十ｋＨzである。これらは公知の技術である。
【００１３】
上述したごとく、種々のレーザー素子を用いた半導体膜の結晶化方法が提案されているが、単一のレーザー素子だけではなく、これらの複数の種類のレーザー素子を組み合わせて半導体膜の結晶化を行う方法についても提案が行われている。
【００１４】
さらに、従来の技術においては、レーザー光を用いて半導体膜の結晶化を行う過程において、結晶性の改善方法およびスループット(単位時間あたりの処理速度)の改善方法についても多くの提案がなされている。
【００１５】
しかしながら、上記特許文献１〜特許文献３に記載された従来の技術には、以下のような問題がある。
【００１６】
上記特許文献１および特許文献２の何れにも、２種類のレーザー光を用いることで半導体膜の結晶性を改善できることが記載されている。特に、特許文献１には、レーザー光の照射強度とトランジスタの移動度および結晶粒の大きさとの関係が詳しく示されている。しかしながら、上記移動度で示すと高々１００cm2/Ｖs〜１５０cm2/Ｖsの間であり、単結晶シリコン等に比べると非常に低い値に留まっている。
【００１７】
これは、結晶の大きさが、改善されたと言えども特許文献１に記載されているように然程大きくはなっておらず、劇的な改善は行われていないのである。すなわち、特許文献１に開示されているように、単純に複数のレーザー光を用いるだけでは、然程の結晶成長の促進を行うことができず、結晶粒の大きさを劇的に拡大することはできない。その結果、結晶性が改善された半導体膜上に作製されるトランジスタの特性を向上させることもできないのである。
【００１８】
また、上記特許文献２には、基板の結晶性を改善し、結晶性が改善された基板上に作製されるトランジスタ等の特性を向上させることができたとの記載はあるが、上記改善の程度については具体的な記載はない。
【００１９】
また、上記特許文献３によれば、横方向に長く伸びた結晶を作ることで、その成長方向にチャンネルの方向を合致させてトランジスタを形成して、３００cm2/Ｖsから４００cm2/Ｖsを超える移動度を有するトランジスタを作製することができる。ところが、上述したように、１回の照射で成長する結晶の長さは、１ミクロンから２ミクロンであり、これを逐次つないでゆく必要があり、スループットの点で非常に大きな課題を有している。
【００２０】
さらに、上記特許文献１〜特許文献３に開示された従来の技術においては、形成された結晶には粒界部分にリッジと呼ばれる突起が生じる。これは、異なる方向から成長してきた結晶が衝突することによって生じるものであり、結晶化させる半導体膜の膜厚に匹敵する高さとなる。そして、このリッジが生じた部分に例えばトランジスタのチャンネル部を形成すると、リッジ(突起)の部分に電界が集中して破壊するという現象が生じ、トランジスタの信頼性が劣化するという問題が生ずる。また、このリッジ部分は膜厚が厚く且つ欠陥が集中しているために、リッジ部にチャンネルが形成されたトランジスタの特性は一般に悪く、実用的ではない。
【００２１】
尚、上記特許文献３には、横方向の結晶を逐次つないでゆき、その間にリッジを形成しない領域を形成し、その領域にトランジスタを形成する方法が開示されている。したがって、リッジを形成しない領域にトランジスタを形成すること自体は可能ではあるが、上記リッジを形成しない領域を大きく取るためには必然的にスループットが低下する。それと同時に、上記リッジに掛からないようにトランジスタを配置する必要がある。その場合、結晶化が終了した後にパターンを形成してトランジスタを配置するため、予め極めて高い精度でリッジ位置を予測してリッジを配置し、後にトランジスタを形成する際にリッジとの干渉が生じないようにする必要がある。その場合における、リッジの配置精度は、一般的には、トランジスタを配置するのと同等の精度を必要とする。このために、基板上の半導体領域に結晶化処理を行う装置は、一般にパターン形成のための露光機と同じ程度の精度が必要となり、その装置の値段は非常に高価となる。
【００２２】
さらに、上記特許文献３に開示された基板上の半導体領域に横方向の結晶成長を行う方法では、リッジの無い平坦な結晶を作製するという点に関しても、ある種の条件下では達成できても、実用的条件下に至った場合にも達成することは困難であり、平坦な結晶を作製することは望めるものではない。
【００２３】
高性能の薄膜トランジスタを作成するためには、表面が平坦で、欠陥が少なく、結晶粒の大きな結晶を、高いスループットで得る必要がある。しかしながら、上記特許文献１〜特許文献３に開示された従来の技術では、これらの特性を同時に満たす結晶を作成することは困難であり、どのようなレーザー光を用いても、また、それらの複数種類のレーザー光を組み合わせても、欠陥や粒界が少なく、表面が平坦で高性能な結晶性を有する結晶を得ることと、高いスループット能力との両者を、同時に兼ね備えた実用的な結晶化方法を得ることはできない。すなわち、上記特許文献１〜特許文献３に開示された従来の技術では、移動度で１００cm2/Ｖsから２００cm2/Ｖs程度の液晶パネル用の薄膜トランジスタを作る能力のある結晶が得られているに過ぎないのである。
【特許文献１】特開２００１‐４４１２０号公報
【特許文献２】特開平１１‐３０７４５０号公報
【特許文献３】特表２０００‐５０５２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
そこで、この発明の課題は、表面が極めて平坦であり、欠陥が極めて少なく、結晶粒が大きい結晶を得ることができ、且つ、高いスループットを得ることができる半導体薄膜の結晶化装置、および、半導体薄膜の結晶化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、この発明は、第１のレーザービームを出射すると共に,基板上の半導体薄膜上に所定幅および所定長を有するストライプ状の第１のビームスポットを形成する第１レーザー照射手段と、第２のレーザービームを出射すると共に,上記半導体薄膜上に上記第１のビームスポットを包含する形状を有する第２のビームスポットを形成する第２レーザー照射手段と、上記基板を,上記両ビームスポットに対して相対的に上記第１のビームスポットの幅方向に移動させる相対移動手段を備えて、上記第２レーザー照射手段は,少なくとも上記第１のレーザービームが出射されている間は上記第２のレーザービームを出射すると共に,上記第２のレーザービームの強度を,上記第１のレーザービームの最大強度よりも低く且つ出射開始時点から出射終了時点まで一定に維持するようになっており、上記第２のビームスポット内における上記第２レーザー照射手段による光強度分布は少なくとも上記第１のビームスポットと重なる部分において一定であることを特徴としている。
【００２６】
上記構成によれば、上記第２レーザー照射手段から出射される上記第２のレーザービームを、上記第１レーザー照射手段から出射される上記第１のレーザービームに対して補助的に作用させることができる。したがって、上記基板全体の温度上昇を防いで、上記基板の熱膨張による変形を防止することができる。
【００２７】
さらに、上記第１レーザービームおよび第２レーザービームを１回の照射を開始するに伴って上記基板上の半導体薄膜が溶融する一方、照射が終了した後に冷却されて凝固/結晶化する。この場合における半導体薄膜の溶融は略上記第１ビームスポット内で生じ、且つ、結晶凝固が上記第１ビームスポットの両縁部から幅方向に、中央部に向かって進行する。したがって、上記第１ビームスポットの両縁部から略中心部まで成長し、平均成長長さが上記特許文献３に記載された従来の平均成長長さの約１０倍の結晶を得ることができる。すなわち、この発明によれば、上記従来の結晶化装置に比べて１０倍のスループットを得ることができ、極めて高い生産性を得ることができるのである。
【００２８】
さらに、上記基板を、上記第１,第２のビームスポットに対して相対的に上記第１のビームスポットの幅方向に移動させることによって、上記第１,第２レーザービームの１回の照射で成長した結晶を引き継ぎながら、連続的に横方向に成長した結晶を得ることができる。その際に、上述したように、上記第１,第２レーザービームの１回の照射によって従来の約１０倍の成長長さの結晶が得られるため、上記基板の相対移動速度を速くして上記半導体薄膜の全体に短時間に結晶化を行うことができる。さらに、上記半導体薄膜の一端部から他端部まで連続的に結晶化を行うことができ、その間にリッジが存在せずに極めて平坦な表面の結晶を成長させることができる。
【００２９】
すなわち、この発明によれば、欠陥が極めて少なく、単結晶に近く、良質な結晶を得ることができる。さらに、欠陥が低減された結晶が得られるため、トランジスタのチャンネルの方向を何れの向きに設定しても結晶欠陥の影響を受け難く、トランジスタの配置の方向に制約を受けないという効果も得られる。
【００３０】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化装置では、上記ストライプ状の第１のビームスポットにおける上記所定幅は、５ミクロン以上且つ２５ミクロン以下である。
【００３１】
上述したように、この発明の半導体薄膜の結晶化装置においては、従来の平均成長長さの約１０倍、つまり１回の照射当り２.５ミクロンから２５ミクロンの成長長さの結晶を得ることができる。したがって、この実施例によれば、上記第１のレーザービームの１回の照射によって、上記第１のビームスポットにおける幅方向の両縁部から略中心部まで成長した結晶粒の大きな結晶を得ることができるのである。
【００３２】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化装置では、上記第２レーザー照射手段によって出射される上記第２のレーザービームは炭酸ガスレーザービームである。
【００３３】
この実施例によれば、上記第２のレーザービームを、パルス発振を行うレーザービームにすることができる。
【００３４】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化装置では、上記第２レーザー照射手段は、上記第２のレーザービームをパルス状に出射するようになっている。
【００３５】
この実施例によれば、上記第２のレーザービームは、パルス発振を行うレーザービームである。したがって、上記第２のレーザービームによる照射時間を短く設定して、基板の加熱を断熱加熱状態に近づけることができる。その結果、上記第１のレーザービームが照射されるまでに熱拡散によって逃げる熱量を減らし、加熱される領域を上記基板の表面に限定して、少ない熱量で基板表面のみを加熱することが可能になる。
【００３６】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化装置では、上記第１レーザー照射手段による上記第１のレーザービームの出射周波数は、１ｋＨz以上且つ１００ｋＨｚ以下である。
【００３７】
この実施例によれば、上記第１のレーザービームの出射周波数が１ｋＨz以上且つ１００ｋＨｚ以下と高いため、「１回の照射当りの移動距離×第１,第２のレーザビームの発振の繰り返し周波数」で決まる上記基板の移動速度を高めて、生産性の向上を図ることができる。
【００３８】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化装置では、上記相対移動手段は、上記基板が載置されると共に、上記基板を上記ビームスポットの幅方向に一端部から他端部まで移動させることが可能であり且つ上記基板を９０度回転させることが可能な基板駆動部である。
【００３９】
この実施例によれば、上記基板上の半導体薄膜における１辺側をこの１辺に沿って帯状に結晶化(第１帯状結晶化)させた後、上記基板を９０度回転させて、上記帯状の結晶化領域内の位置を開始位置として、上記半導体薄膜における上記１辺部から他辺部に向う複数の帯状領域を結晶化(第２帯状結晶化)させることができる。このように、上記第２帯状結晶化を行う場合の開始位置は結晶化された帯状領域の内部にあるため、上記第２帯状結晶化によって成長する結晶は、端部からランダムに発生する結晶核を起点とする結晶ではなく、上記結晶化された帯状領域の長手方向に長く伸びた結晶を起点として成長が開始される。したがって、上記第２帯状結晶化によって成長する結晶は、極めて幅の広い単結晶かそれに近い結晶になる。
【００４０】
また、この発明は、第１のレーザービームによって基板上の半導体薄膜を照射して上記半導体薄膜上に所定幅および所定長を有するストライプ状の第１のビームスポットを形成し、第２のレーザービームによって上記半導体薄膜を照射して上記半導体薄膜上に上記第１のビームスポットを包含する形状を有する第２のビームスポットを形成し、上記基板を,上記両ビームスポットに対して相対的に上記第１のビームスポットの幅方向に移動させて、上記基板上の半導体薄膜をレーザービームによって結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法であって、上記第２のレーザービームによる照射を少なくとも上記第１のレーザービームによる照射が行われている間は行い、上記第２のレーザービームの強度を出射開始時点から出射終了時点まで一定にし、上記第２のビームスポット内における上記第２のレーザービームによる光強度分布を少なくとも上記第１のビームスポットと重なる部分において一定にすることを特徴としている。
【００４１】
上記構成によれば、上記第２のレーザービームを上記第１のレーザービームに対して補助的に作用させて、上記基板全体の温度上昇を防いで、上記基板の熱膨張による変形を防止することができる。さらに、平均成長長さを上記特許文献３に記載された従来の平均成長長さの約１０倍することができ、上記従来の結晶化装置に比べて１０倍のスループットを得ることができる。さらに、上記基板を相対的に上記第１のビームスポットの幅方向に移動させて、連続的に横方向に成長した結晶を得ることができる。その際に、上記基板の相対移動速度を速くして上記半導体薄膜全体に短時間に結晶化を行うことができる。さらに、上記半導体薄膜の一端部から他端部まで連続的に結晶化を行うことができ、その間にリッジが存在せずに極めて平坦な表面の結晶を成長させることができる。
【００４２】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化方法では、上記ストライプ状の第１のビームスポットにおける上記所定幅は、５ミクロン以上且つ５０ミクロン以下である。
【００４３】
上述したように、この発明の半導体薄膜の結晶化方法によれば、従来の平均成長長さの約１０倍、つまり１回の照射当り２.５ミクロンから２５ミクロンの成長長さの結晶を得ることができる。したがって、この実施例によれば、上記第１のレーザービームの１回の照射によって、上記第１のビームスポットにおける幅方向の両縁部から略中心部まで成長した結晶粒の大きな結晶を得ることができる。
【００４４】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化方法では、上記第２のレーザービームは炭酸ガスレーザービームである。
【００４５】
この実施例によれば、上記第２のレーザービームを、パルス発振を行うレーザービームにすることができる。
【００４６】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化方法では、上記第２のレーザービームはパルス状のレーザービームである。
【００４７】
この実施例によれば、上記第２のレーザービームは、パルス発振を行うレーザービームである。したがって、上記第２のレーザービームによる照射時間を短く設定して、基板の加熱を断熱加熱状態に近づけることができる。その結果、上記第１のレーザービームが照射されるまでに熱拡散によって逃げる熱量を減らし、加熱される領域を上記基板の表面に限定して、少ない熱量で基板表面のみを加熱することが可能になる。
【００４８】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化方法では、上記第１のレーザービームの照射周波数は１ｋＨz以上且つ１００ｋＨｚ以下である。
【００４９】
この実施例によれば、上記第１のレーザービームの出射周波数が１ｋＨz以上且つ１００ｋＨｚ以下と高いため、「１回の照射当りの移動距離×第１,第２のレーザビームの発振の繰り返し周波数」で決まる上記基板の移動速度を高めて、生産性の向上を図ることができる。
【００５０】
また、１実施例の半導体薄膜の結晶化方法では、上記基板を上記第１のビームスポットの幅方向に一端部から他端部まで移動させて,上記基板上の半導体薄膜における１辺側をこの１辺に沿って帯状に結晶化させ、そうした後,上記基板を９０度回転させ,上記帯状の結晶化領域内の位置を開始位置として、上記基板を上記第１のビームスポットの幅方向に上記１辺に対向する他辺部まで移動させて,上記基板上の半導体薄膜における上記１辺部から他辺部に向う複数の帯状領域を結晶化させる。
【００５１】
この実施例によれば、上記基板上の半導体薄膜における１辺部から他辺部に向う複数の帯状領域を結晶化させる第２帯状結晶化を行う場合、その開始位置は、上記半導体薄膜における１辺側をこの１辺に沿って帯状に結晶化させる第１帯状結晶化によって結晶化された帯状領域の内部にあるため、上記第２帯状結晶化によって成長する結晶は、端部からランダムに発生する結晶核を起点とする結晶ではなく、上記結晶化された帯状領域の長手方向に長く伸びた結晶を起点として成長が開始される。したがって、上記第２帯状結晶化によって成長する結晶を、極めて幅の広い単結晶かそれに近い結晶にすることができる。
【発明の効果】
【００５２】
以上より明らかなように、この発明によれば、第２のレーザービームを第１のレーザービームに対して補助的に作用させて、基板全体の温度上昇を防いで上記基板の熱膨張による変形を防止することができる。さらに、結晶の平均成長長さを上記従来の平均成長長さの約１０倍することができ、１０倍のスループットを得ることができる。さらに、上記基板を相対的に移動させて横方向に連続的に成長した結晶を得る際に、上記平均成長長さが長い分だけ上記基板の移動速度を速くして、上記基板上の半導体薄膜全体に短時間に結晶化を行うことができる。さらに、上記半導体薄膜の一端部から他端部まで連続的に結晶化を行うことができ、その間にリッジが存在せずに極めて平坦な表面の結晶を成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の半導体薄膜の結晶化装置における構成を示す図である。本半導体薄膜の結晶化装置は、第１レーザー発振器１,第１中間光学系２,第２レーザー発振器３,第２中間光学系４および基板駆動装置５で、概略構成されている。そして、基板駆動装置５上に載置されている基板６に対して、第１レーザー発振器１および第２レーザー発振器３からのレーザービームを照射するようになっている。
【００５４】
また、図１には記載されていないが、本半導体薄膜の結晶化装置には、ビーム強度を補正する可変減衰器、ビームを遮断するシャッター、レーザー強度を測定する各種検出器、基板温度の調整装置、基板周囲のガス雰囲気を制御するチャンバー装置等を含むことが可能である。
【００５５】
さらに、上記基板６上には半導体薄膜(図示せず)が形成されており、この半導体薄膜を溶融,固化することによって結晶化を行う。尚、上記半導体薄膜としては、シリコン薄膜あるいはアモルファスシリコン薄膜その他の半導体材料等を用いることが可能である。
【００５６】
本実施の形態においては、上記構成の半導体薄膜の結晶化装置を用いて、基板６上の半導体薄膜に対して結晶化を行う。この結晶化の方法は、半導体薄膜を溶融させるに必要なエネルギーを、主として第１レーザー発振器１によるレーザービームの照射によって供給し、且つ、第２レーザー発振器３によるレーザービームの照射によって予備的な効果を与えるものである。そして、両レーザービームの照射による複合的な効果によって、従来の１０倍以上の大きさの結晶成長、欠陥の少ない結晶品質、リッジのない平坦な結晶表面、および、高いスループットを、同時に達成するものである。
【００５７】
先ず、本実施の形態による第１の結晶化方法について説明する。
【００５８】
上記第１レーザー発振器１としては、連続発振およびパルス発振の何れのレーザー発振器でも可能であるが、好ましくはパルス状のエネルギビームを放出するパルス発振を行うレーザー発振器が好ましい。また、第１レーザー発振器１では、その発振波長を５５０nmから２００nmの範囲に設定して、ある程度以上の吸収をシリコンに持たせて溶融させることが可能であれば、その光源種類は特に限定されるものでない。例えば、紫外線を発振するエキシマレーザー素子や赤外線発振光を２倍の高調波に変換するＹＡＧレーザー素子に代表される各種固体レーザー素子、または、その高調波等の紫外域の波長を有する固体紫外線レーザー素子が、光源として望ましい。
【００５９】
さらに、上記第１レーザー発振器１から出射される第１レーザービームとして、最も望ましくは、上記波長領域(５５０nm〜２００nm)でパルス発振を行う固体レーザー素子を用いると共に、パルス幅を１０ns〜２００nsとし、発振の周波数を１ｋＨz〜１００ｋＨzとした場合である。このようなレーザー素子としては、ＹＡＧレーザー(通常はＮd：ＹＡＧレーザーを指す)、Ｎd：ＹＶＯ4レーザー、Ｎd：ＹＡlＯ3レーザー、ルビーレーザー、Ｔi：サファイアレーザー、ガラスレーザー等の第２高調波を用いることができる。
【００６０】
上記第２レーザー発振器３は、上述したように、上記半導体薄膜の溶融に際して予備的な効果を与えるものであり、連続発振およびパルス発振の何れのレーザー発振器でも用いることが可能であるが、望ましくはパルス状のエネルギビームを与えるレーザー発振器が好ましい。しかしながら、必ずしもパルス発振を行うレーザー発振器である必要はなく、連続発振のレーザービームを適当な方法で変調してもよい。
【００６１】
また、上記第２レーザー発振器の発振波長は、シリコンに対してある程度以上の吸収があってシリコンを溶融させることが可能な波長であってもよいし、それ以外の波長でも使用が可能である。例えば、エキシマレーザーやＹＡＧレーザーに代表される各種固体レーザー素子、あるいは、炭酸ガスレーザーやアルゴンイオンレーザー等のガスレーザー素子が、第２レーザー素子として使用可能である。
【００６２】
但し、上記第２レーザービームとして最も望ましい波長は、基板６でより多くの吸収を生じさせる波長であり、具体的には、発振波長が１０ミクロン前後の炭酸ガスレーザー素子を用い、パルス幅を１μs〜１００μsとし、パルスの繰り返し周波数を上記第１レーザービームと等しい(すなわち、１ｋＨz〜１００ｋＨz)とするものである。このようなレーザービームは、通常、連続発振の炭酸ガスレーザーを変調することによって得ることができる。
【００６３】
図２は、本実施の形態における半導体薄膜の結晶化装置によって形成される好ましいレーザービームの照射面でのスポット形状を示す。図１において、第１レーザー発振器１から出射された第１レーザービームは、第１中間光学系２によって基板６上の半導体薄膜上に収束されて、所定の長さと所定の幅とを有するスリット状の第１ビームスポット１１を形成する。尚、その場合の上記幅は５ミクロン〜５０ミクロンである。また、長さは、上記５ミクロン〜５０ミクロンの幅で基板６上の半導体薄膜を溶融させるだけのビーム強度を呈し、且つ、第１レーザー発振器１の出力が許す限り長く取るのが、結晶化処理に掛かる時間を短縮する上で好ましい。
【００６４】
通常、上記基板６上の半導体薄膜としてアモルファスシリコンが用いられ、その厚さは５０nmである。その場合、上記第１レーザー発振器１のレーザー素子として、波長５３２nmであり、パルス幅が１０ns〜１００nsである固体レーザー素子を用いれば、上記第１レーザービームのみを照射した際に、２００mJ/cm2〜６００mJ/cm2のエネルギーで溶融が生ずる。したがって、略この程度のエネルギー密度になるように、第１ビームスポット１１の形状を設計することによって、結晶化を適切に行うことができるのである。
【００６５】
上記第１レーザー発振器１からの第１レーザービームによるビームスポット(第１ビームスポット)１１における上記半導体薄膜の面上での光強度分布については、第１ビームスポット１１の短辺(幅)方向には、その縁部で強度ができるだけ急峻に立ち上がる(立ち下がる)ことが好ましく、強度が１０％から９０％に変化する距離が略２ミクロン以下であることが望ましい。これに対し、第１ビームスポット１１の長辺(長さ)方向には、光強度が一定であることが望ましく、±５％以下の変動であることが望まれる。また、第１ビームスポット１１の長辺方向の縁部に関しては、短辺方向の縁部と同等の立ち上がり(立ち下り)であることが望まれる。
【００６６】
上記第２レーザー発振器３からの第２レーザービームによって上記半導体薄膜の面上に形成されるビームスポット(第２ビームスポット)１２の形状は、概ね第１ビームスポット１１のスポット形状と相似の形状にする。特に、少なくとも第１ビームスポット１１が幾何学的に含まれるような大きさおよび形状とするのが好ましい。また、第２ビームスポット１２における上記第２レーザービームによる光強度分布は、第１ビームスポット１１の部分(立ち上がり部および立ち下り部を含む)において一定であることが望ましい。
【００６７】
尚、上述した「光強度(分布)が一定」とは設計上一定であるという意味であって、製造バラツキによって強度が若干異なっても一定と見なすという意味である。
【００６８】
図３に、上記第１レーザー発振器１からの第１レーザービームと第２レーザー発振器３からの第２レーザービームとの照射時間と強度との関係を示す。本実施の形態の場合、第１レーザービームと第２レーザービームとの照射時間に対する強度の与え方は、主に２種類ある。
【００６９】
第１の照射時間に対する強度の与え方は、図３(a)に示すように、上記第２レーザービームを連続発振させて常時照射しながら、上記第１レーザービームをパルス的に照射する方法(第１の方法)である。ここで、第２レーザービームの強度は、第１レーザービームの最大強度よりも低い所定の強度である。この方法における第１レーザービームのパルス間隔は、第１レーザー発振器１における発振の繰り返し周波数によって決まり、上記第１レーザー素子として、パルス発振を行う固体レーザー素子(ＹＡＧレーザー(通常はＮd：ＹＡＧレーザーを指す)、Ｎd：ＹＶＯ4レーザー、Ｎd：ＹＡｌＯ3レーザー、ルビーレーザー、Ｔi：サファイアレーザー、ガラスレーザー等)を用い、その第２高調波を使用した場合は、発振の繰り返し周波数を１ｋＨz〜１００ｋＨzとすることができる。
【００７０】
また、第２の照射時間に対する強度の与え方は、図３(b)に示すように、上記第１レーザービームをパルス的に照射しながら第２レーザービームもパルス的に照射する方法(第２の方法)である。ここで、第２レーザービームの強度は、第１レーザービームの最大強度よりも低い所定の強度である。この場合、第１レーザービームに関しては、上記第１の方法と同等のレーザー素子を用いることができ、第１レーザービームに同期させて第２レーザービームを照射する。その場合、第２レーザービームのパルス幅は、第１レーザービームのパルス幅より大とする。そして、第２レーザービームの照射開始のタイミングは。少なくとも第１レーザービームの照射開始のタイミングより先行させる。また、第２レーザービームの照射終了のタイミングは、第１レーザービームの照射終了のタイミングよりも後となるように設定するのが好ましい。
【００７１】
尚、上記第２の方法の場合、上記第２レーザービームの照射時間(パルス幅)は、できるだけ短く設定することが好ましい。こうすることにより、第２レーザービームの単位面積当り且つ単位時間当りの照射エネルギー密度をパルス幅の短縮に見合って高く設定する必要はあるが、照射時間を短く設定することによって、「パルス幅×照射エネルギー密度」で表される基板６への熱の投入量を減少させることが可能になる。これは、照射時間(パルス幅)を短く設定することによって、第２レーザービームによる加熱を断熱状態に近づけて、第１レーザービームが照射されるまでに熱拡散で逃げる熱を減らし、加熱される領域を基板６の表面に限定して、少ない熱量で表面のみ加熱することが可能なためである。したがって、基板６全体の温度上昇を防ぎ、基板６の熱膨張による変形を防止する効果がある。
【００７２】
次に、上述したような設定で基板６上の半導体薄膜に対して結晶化を行った場合の結晶状態、および、その際の基板の駆動方法について説明する。図４に、上記第１レーザービームおよび第２レーザービームを半導体薄膜に照射した場合における結晶の状態を示す。図４に示すように、第１レーザービームおよび第２レーザービームの照射に伴って基板６上の半導体薄膜が溶融し、照射が終了した後に冷却が始まって凝固/結晶化が生じる。この場合における半導体薄膜の溶融は、略第１ビームスポット１１内の領域で生じ、且つ、端部からランダムに発生する結晶核を起点とする結晶凝固が第１ビームスポット１１の領域の両側の縁部から進行する。そのために、図４に示すように、第１ビームスポット１１の幅方向に、中央部に向かって横方向に成長した複数の結晶１５が得られる。本実施の形態においては、この横方向の結晶成長を生じさせながら、第２レーザービームを複合的に照射する結果、極めて大きな結晶成長を生じさせるのである。尚、結晶１５の成長長さ１６は、条件にもよるが、１回の照射当り２.５ミクロンから２５ミクロンであり、上記特許文献３に記載された成長長さ(１ミクロンから２ミクロン)の略２.５倍から２５倍、平均的には約１０倍に達する。
【００７３】
尚、１回の照射当りの成長長さ１６が上記特許文献３の平均で１０倍と言うことは、上記特許文献３に比して、常に１０倍のスループットが得られると言うことであり、本実施の形態によれば、極めて高い生産性が得られると言うことができる。
【００７４】
具体的には、上記第１レーザー素子として、波長が５３２nm,パルス幅が３０ns,照射強度が３００mJ/cm2の固体レーザー素子を用い、第２レーザー素子として、波長が１０.６μm,パルス幅が１００μs,照射強度が４０Ｗ/mm2の炭酸ガスレーザー素子を用いる。そして、第１,第２ビームスポットの幅を約２０ミクロンとした場合には、１回の照射当り１０ミクロンの結晶成長長さが得られる。
【００７５】
本実施の形態においては、上述したごとく、上記第１ビームスポット１１の幅を５ミクロンから５０ミクロンに設定している。したがって、１回の照射当り２.５ミクロンから２５ミクロンの成長長さ１６が得られるということは、概ね第１ビームスポット１１の照射領域の略中心部まで成長した結晶１５を得ることが可能なのである。
【００７６】
レーザービームの１回の照射によって生じる結晶化については上述した通りであるが、本実施の形態においては、上述したような結晶化を、基板６を移動(あるいは、第１ビームスポット１１および第２ビームスポット１２を同方向に同速度で移動)させながら行うのである。
【００７７】
図５は、上記ビームスポット１１,１２の形状と移動距離１７との関係を示す。基板６（または、ビームスポット１１,１２)の移動は、間歇的および連続的の何れでも差し支えない。例えば、好ましい例として上記第１レーザービームのパルス幅を１０nsから２００nsに設定した場合には、その間に動く基板６の距離は実用的な速度では極わずかであり、基板６の移動を照射の都度停止させることなく連続的に行っても何ら差し支えなく、基板６を連続的に送るという簡便な方法を採用することができる。但し、間歇的および連続的の何れの場合であっても、１回の照射当り基板６を移動させる距離１７は、概ね１回の照射で成長する結晶の長さの１/２倍以上且つ１倍以下に設定する。あるいは、上記第１ビームスポット１１の幅の１/４倍以上且つ１/２倍以下に設定する。
【００７８】
また、この場合における基板６の移動速度は、「１回の照射当りの移動距離×第１,第２レーザー発振器１,３の発振の繰り返し周波数」で決まる。したがって、典型的な例の場合には、１０ミクロン×１０ｋＨz＝１００mm/ｓであり、実用的な速い速度で基板６全体を結晶化することが可能である。例えば、数百mm角のガラス基板であっても、数秒で基板６の一端から他端まで照射することができるのである。
【００７９】
上述したような単一の線状の第１ビームスポット１１を比較的高い繰り返し周波数でパルス状に照射し、且つ、第２ビームスポット１２によって大きな結晶成長を生じさせる結晶化方法により、基板６あるいはビームスポット１１,１２を移動させて結晶化を行うことによって、結果的に、基板６上には、図６に示すように、一方向に延在するリッジの無い複数の結晶１８が得られるのである。また、その際に、上記基板６(ビームスポット１１,１２)を移動させた領域１９にはリッジが存在せず、平坦な結晶１８が得られる。したがって、基板６(ビームスポット１１,１２)の移動を基板６の一端から他端まで行った場合には、基板６の一端から他端まで完全にリッジが無い平坦な結晶化領域を得ることができる。つまり、実質的に、基板６全体を、一方向に成長した結晶で且つリッジの無い面にすることが可能なのである。
【００８０】
以上のごとく、本実施の形態における第１の結晶化方法によれば、上記第１ビームスポット１１による５ミクロンから５０ミクロン幅の線状照射に、第２ビームポット１２(最も望ましくは、炭酸ガスレーザービームによるビームポット)を複合的に照射することによって、従来のおよそ１０倍以上の長さの結晶成長を引き起こすことが可能である。したがって、第１,第２ビームスポット１１,１２による照射を複数回繰り返し、同時に基板６を移動させることによって、基板６上の全体に、実用的な速度で、高品質で且つリッジの無い結晶薄膜を作製することが可能になるのである。
【００８１】
すなわち、本実施の形態によれば、成長した結晶を引き継ぐことによって、連続的に横方向に成長した結晶を得ることができる。また、上述したように早い速度で結晶化を行うことによって、基板６上の半導体薄膜全体に結晶化を行うことができる。また、基板６上の半導体薄膜における一端部から他端部まで連続的に結晶化を行うことができるため、その間にリッジが存在せず極めて平坦な表面の結晶を得ることができる。
【００８２】
したがって、本実施の形態によって結晶化させた基板を用いてトランジスタを形成した場合には、極めて高い特性のトランジスタを得ることが可能である。例えば、ガラス基板上にＳiＯ2下地層およびアモルファスシリコン(５０nm)を積層し、上記アモルファスシリコンに対して本実施の形態による結晶化を行う。そして、この結晶成長方向に合わせてトランジスタのチャンネル方向を形成した場合には、３００cm2/Ｖsから４００cm2/Ｖsの移動度を安定的に得ることができる。これは、上記特許文献１に開示されている移動度の２倍から３倍であり、劇的な改善がなされたと言うことができる。また、表面の凹凸に関しても、リッジが存在せず、平均粗さで５nm以下であり、通常の平均粗さの１/１０以下にすることができる。
【００８３】
次に、本実施の形態による第２の結晶化方法について説明する。この第２の結晶化方法にも図１に示す半導体薄膜の結晶化装置が用いられる。
【００８４】
図７に示すように、先ず、基板６上の半導体薄膜２０における４辺のうちの一辺に近い縁部に沿って、基板６の一端部から他端部までの第１帯状領域２１に、上記第１,第２レーザービームの照射を少なくとも１回行って、半導体薄膜の結晶化(第１帯状結晶化)を行う。その際に、第１帯状領域２１の幅は、上記第１ビームスポットの長さに略等しくなる(図２参照)。
【００８５】
次に、上記基板６を９０度回転させ、上記第１帯状領域２１を開始点(正確には第１帯状領域２１内の位置２２を開始点)とする半導体薄膜２０の一端部から他端部に向う第２帯状領域２３に、上記第１,第２レーザービームの照射を行って半導体薄膜の結晶化(第２帯状結晶化)を行う。この場合も、第２帯状領域２３の幅は上記第１ビームスポットの長さに略等しくなる。以後、上記第２帯状領域２３に対する第２帯状結晶化を複数回繰り返して、基板６の全面に結晶化を行うのである。
【００８６】
この第２の結晶化方法によれば、上記第２帯状結晶化を行う場合の開始点２２は第１帯状領域２１の内部にある。そして、この開始点２２の部分には、既に第１帯状領域２１の長手方向に伸びた結晶が成長しているため、第２帯状領域２３は、第１帯状領域２１内の結晶を種として成長が始まる。したがって、第２帯状領域２３に成長する結晶は、端部からランダムに発生する結晶核を起点とする結晶ではなく、第１帯状領域２１の長手方向に長く伸びた結晶を起点として成長が開始される。そのために、第２帯状領域２３に成長する結晶は、第１帯状領域２１に成長している複数の細長い形状の結晶ではなく、極めて幅の広い単結晶かそれに近い結晶なのである。
【００８７】
したがって、上記第２帯状結晶化によって半導体薄膜に形成される結晶は、欠陥が極めて少なく単結晶に近い良質な結晶である。また、欠陥が低減される結果、結晶化領域にトランジスタを形成する場合に、トランジスタのチャンネルの方向がどのような向きであっても欠陥の影響を受け難く、トランジスタの配置の方向に制約を受けないという効果が得られるのである。
【００８８】
次に、本実施の形態における半導体薄膜の結晶化装置について説明する。図１に示すように、第１レーザー発振器１から出射された第１レーザービームは、第１中間光学系２により変換されて、基板６(上の半導体薄膜)上に、図２に示すような第１ビームスポット１１を形成する。ここで、第１中間光学系２は、複数のレーザービームに変換する光学系でもよいし単数のレーザービームに変換する光学系でもよい。但し、以下に示すように、単数のレーザービームに変換する方が好ましい。
【００８９】
特に、上記第１レーザー素子として、パルス発振の固体レーザー素子(このようなレーザー素子としては、ＹＡＧレーザー(通常はＮd：ＹＡＧレーザーを指す)、Ｎd：ＹＶＯ4レーザー、Ｎd：ＹＡlＯ3レーザー、ルビーレーザー、Ｔi：サファイアレーザー、ガラスレーザー等を用いることが可能)を用い、その第２高調波に関して、パルス幅を１０ns〜２００nsとし、発振の繰り返し周波数を１ｋＨz〜１００ｋＨzとする場合には、第１中間光学系２によって単数のレーザービームに変換することが望ましい。
【００９０】
これは、上記単数のレーザービームによるビームスポットを用いることによって、基板６の一端から他端まで照射することができるからである。したがって、上述したような種々の効果を奏することができるのである。
【００９１】
すなわち、上記基６板の移動速度は、「１回の照射当りの移動距離×第１,第２レーザー発振器１,３の発振の繰り返し周波数」で決まる。したがって、典型例の場合には、１０ミクロン×１０ｋＨz＝１００mm/ｓであり、実用的な速い速度で基板６全体を結晶化することが可能である。例えば、数百mm角のガラス基板であっても、数秒で基板６の一端から他端まで照射することができる。また、上述したような結晶化方法によって、基板６あるいはビームスポット１１,１２を移動させて結晶化を行うことによって、結果的に、基板６上には、図６に示すように、一方向に延在するリッジの無い複数の結晶１８が得られる。その際に、基板６(ビームスポット１１,１２)を移動させた領域１９にはリッジが存在せず、平坦な結晶１８が得られる。したがって、基板６(ビームスポット１１,１２)の移動を基板６の一端から他端まで行った場合には、基板６の一端から他端まで完全にリッジが無い平坦な結晶化領域を得ることができる。つまり、実質的に、基板６全体を、一方向に成長した結晶で且つリッジの無い面にすることが可能である。
【００９２】
複数のレーザービームを用いた場合には、上述のように、基板６の一端から他端まで照射するような照射方法を得ることができず、且つ、リッジの発生を防ぐことはできないのである。
【００９３】
以下、上記第１中間光学系２の具体的構造について説明する。図８は、第１中間光学系２における第１実施例の構造を示す。但し、図８(a)は正面図であり、図８(b)は側面図である。
【００９４】
凸レンズ３１,３２はビームエキスパンダー機能を有しており、第１レーザー発振器１からの第１レーザービームの径を変換できる。そして、ビーム径が変換された第１レーザービームはホログラム素子３３に入射され、ホログラム素子３３によって基板６上に集光されて、図２に例示するような形状の第１ビームスポット１１を形成する。ここで、第１ビームスポット１１におけるビーム強度分布は、図中番号「３４」で示すような形状を示す。
【００９５】
尚、上記第１ビームスポット１１内の強度分布は、上述したように、第１ビームスポット１１の短辺(幅)方向には、その縁部で強度ができるだけ急峻に立ち上がる(立ち下がる)ことが好ましい。また、第１ビームスポット１１の長辺(長さ)方向については、強度が略一定であることが望ましく、縁部では短辺方向の縁部と同等の立ち上がり(立ち下り)であることが望ましい。
【００９６】
上記第１レーザービームの強度分布は、レーザー素子の種類にもよるが、多くの場合はガウシャン分布あるいはそれに準じた分布を呈しており、このガウシャン分布を上述のような強度分布に変換する必要がある。図８に示す第１中間光学系２の構成では、この強度分布変換機能をホログラム３３によって得る。すなわち、透明なホログラム素子３３の表面に形成された周期的あるいは非周期的凹凸によってレーザービームを所望の方向に回折させ、その回折光を合成して基板６上で所望の強度分布を得るのである。
【００９７】
図９は、上記第１中間光学系２における第２実施例の構造を示す。但し、図９(a)は正面図であり、図９(b)は側面図である。
【００９８】
凸レンズ４１,４２はビームエキスパンダー機能を有しており、第１レーザー発振器１からの第１レーザービームの径を変換できる。そして、ビーム径が変換された第１レーザービームはホログラム素子４３に入射され、ホログラム素子４３および円筒レンズ４４によって基板６上に集光されて、図２に例示するような形状の第１ビームスポット１１を形成する。ここで、第１ビームスポット１１におけるビーム強度分布は、図中番号「４５」で示すような形状を示す。
【００９９】
尚、上記第１ビームスポット１１内の強度分布は、図８の場合と同様であり、第１ビームスポット１１の短辺(幅)方向には、その縁部で強度ができるだけ急峻に立ち上がる(立ち下がる)ことが好ましく、長辺(長さ)方向には、強度が略一定であり、縁部では短辺方向の縁部と同等の立ち上がり(立ち下り)であることが望ましい。
【０１００】
ここで、上記第１中間光学系２における図８に示す第１実施例の構成においては、ホログラム３３によって所望の強度分布３４への変換を行っている。これに対して、図９に示す第２実施例の構成では、ホログラム素子４３と円筒レンズ４４との複合作用によって、所望の強度分布４５への変換を行うのである。ここで、円筒レンズ４４は、その母線の方向が第１ビームスポット１１の長さ方向に一致するように配置する。
【０１０１】
すなわち、上記ホログラム４３は、図９(b)に示すように、上記第１ビームスポット１１の長辺(長さ)方向への強度の均一化を行う機能を有する。これに対して、円筒レンズ４４は、この方向には結像作用を有しないように配置されている。また、図９(a)に示すように、逆に、第１ビームスポット１１の短辺(幅)方向へは結像作用を有しており、所望の幅になるようにレーザービームを収束する。こうして、基板６上で所望の強度分布を得るのである。
【０１０２】
本第２実施例の構成によれば、上記ホログラム４３には強度均一化の機能のみを持たせるだけでよく、上記第１ビームスポット１１を幅方向に収束させる機能は持たせる必要がない。この場合、ホログラム４３には光学的に大きなパワーを持たせる必要がなく、ホログラムの凹凸のピッチを比較的大きく取ることができる。したがって、ホログラムの構成が容易となる。
【０１０３】
図１０は、上記第１中間光学系２における第３実施例の構造を示す。但し、図１０(a)は正面図であり、図１０(b)は側面図である。
【０１０４】
凸レンズ５１,５２はビームエキスパンダー機能を有しており、第１レーザー発振器１からの第１レーザービームの径を変換できる。そして、ビーム径が変換された第１レーザービームはホログラム素子５３に入射され、ホログラム素子５３によって円筒レンズ５４を照射する。
【０１０５】
上記ホログラム素子５３は、その表面に構成された凹凸によってレーザービームを所望の方向に回折させて、第１ビームスポット１１の長辺(長さ)方向への強度の均一化を行う機能を有する。これに対して、円筒レンズ５４は、図１０に示すように、第１ビームスポット１１の短辺(幅)方向に結像作用を有し、長辺(長さ)方向には収束作用を有しないような向きに配置されいる。そして、レーザービームを収束して一旦スリット５５上を照射する。
【０１０６】
上記スリット５５は、所望形状の上記第１ビームスポット１１と相似な形状のスリットを有しており、このスリット５５によってレーザービームの強度分布に制限を加えるのである。また、スリット５５におけるスリット形状を適当に設計することによって、任意の形状の強度分布を作り出すことが可能にある。スリット５５の像を、結像レンズ(群)５６によって基板６上に結ぶ。こうして、基板６上で所望の強度分布５７を得るのである。
【０１０７】
本第３実施例の構成によれば、上記スリット５５の像を結像レンズ(群)５６によって結ぶようにしている。したがって、第１ビームスポット１１の縁部における強度分布の変化がシャープになり、鮮明な像が得易くなる。また、スリット５５におけるスリット形状を選ぶことによって任意の形状のビームスポットを得ることができ、結晶化の最適化を容易に行うことができるのである。
【０１０８】
次に、上記第２レーザー発振器３からのレーザービームを収束して、基板６上に、第２ビームスポット１２を形成する第２中間光学系４の具体的構造について説明する。図１１は、第２中間光学系４における第１実施例の構造を示す。
【０１０９】
レンズ６１,６２はビームエキスパンダー機能を有しており、第２レーザー発振器３からの第２レーザービームの径を変換できる。そして、ビーム径が変換された第２レーザービームは強度均一化素子６３に入射され、強度均一化素子６３によって基板６上に集光されて、第２ビームスポット１２を形成する。ここで、強度均一化素子６３は２枚の非球面レンズ６３a,６３bによって構成されており、第２レーザー発振器３からの強度分布を有するレーザービームを強度が均一なレーザービームに変換する。
【０１１０】
通常、上記第２レーザー発振器３の第２レーザー素子として、シングルモードの炭酸ガスレーザーを用いた場合には、その強度分布はガウシャン分布である。したがって、そのまま照射すると、照射領域によって結晶化の作用が異なることになる。そのために、強度均一化素子６３により強度を均一化することによって、第２ビームスポット１２内で一様な結晶化作用が得られるのである。この場合、基板６上における第２ビームスポットは、図１２に示すような円形のビームスポット６４になり、第１ビームスポット１１が第２ビームスポット６４に含まれる。
【０１１１】
図１３は、図１１における均一化素子６３の光線に対する作用を示す。図１３(b)において、強度均一化素子６３の非球面レンズ６３aに対して光線群６５,６６が入射されて、非球面レンズ６３b側に向かって通過する。その場合、入射される第２レーザービームの強度分布は、図１３(a)に示すように略ガウシャン分布をなしており、中央部の強度が高く、周辺部の強度が低くなっている。そして、均一化素子６３を通過することによって、その強度分布は、図１３(c)に示すように、中央部から外周部まで略均一な強度を有するがレーザービームに変換されるのである。
【０１１２】
これは、図１３(b)に示すように、上記強度均一化素子６３の外周部に入射される上記ガウシャン分布において低い強度を呈する領域からの光線群６５は、略収束する方向に向けられる。一方、強度均一化素子６３の中心部に入射される高い強度を呈する領域からの光線群６６は、略発散する方向に向けられるためである。こうして、強度が低い領域からの光線群６５は収束されることで強度を増し、強度が高い領域からの光線群６６は発散されることで強度を減じ、結果的に均一な強度分布が得られるのである。
【０１１３】
このことを実現するために、上記強度均一化素子６３としては、図１３(b)に示すように、第１の非球面レンズ６３aの断面形状を、中央部が凹であり外周部が凸である断面形状にすることによって、上述のような均一化の効果を得ることができる。但し、そのままでは、第１の非球面レンズ６３aを通過した光線は平行光線とならない。そこで、それを補正するように、第２の非球面レンズ６３bを配置するのである。尚、非球面レンズ６３aによって略平行なレーザービームが得られるのであれば、第２の非球面レンズ６３bは無くとも構わない。
【０１１４】
図１４は、上記第２中間光学系４の第２実施例における強度均一化素子の光線に対する作用を示す。第２実施例においては、上記強度均一化素子としてホログラム素子７１を用いるのである。図１４(b)において、ホログラム素子７１に対して光線群７２,７３が入射されて、図１４(a)に示すようなガウシャン分布の強度分布を呈するレーザービームを、図１４(c)に示すような均一な強度分布を呈するレーザービームに変換する。その場合におけるホログラム素子７１の作用は、図１３に示す非球面レンズ６３a,６３bの機能と同様であり、外周部の光線群７２に対しては収束作用を有する一方、中央部の光線群７３に対しては発散作用を有する。この作用は、ホログラム表面に設ける凹凸のピッチや深さを適当に設計することによって達成することができる。
【０１１５】
尚、第２実施例のごとくホログラム素子７１を用いた場合には、第１実施例のごとく非球面レンズ６３a,６３bを用いた場合と異なって、レーザービームの強度分布のみならずビームスポットの形状をもコントロールすることが可能になる。これは、非球面レンズ６３a,６３bの場合には断面形状が回転対称となるため、形成されるビームスポットは図１２に示すように円形６４になる。これに対して、ホログラム素子７１を用いた場合には、ホログラムのパターンが任意であるためビームスポットの形状に制約が無いためである。
【０１１６】
図１５に、上記ホログラム素子７１を用いた場合におけるの基板６上でのビームスポット形状を示す。第２ビームスポットの形状に制約が無いため、第１ビームスポット１１と第２ビームスポット７５とを共に矩形にすることができる。このように、図１２に示すような円形の第２ビームスポット６４ではなく、矩形の第２ビームスポット７５とすることによって、照射効率が高くすることができるためより望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】この発明の半導体薄膜の結晶化装置における構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体薄膜の結晶化装置によって形成されるビームスポットの形状を示す図である。
【図３】図１における第１レーザー発振器からの第１レーザービームと第２レーザー発振器からの第２レーザービームとの照射時間と強度との関係を示す図である。
【図４】図２に示すビームスポットで半導体薄膜を照射した場合の結晶状態を示す図である。
【図５】ビームスポットの移動距離と結晶状態との関係を示す図である。
【図６】基板またはビームスポットを移動させる第１の結晶化方法で得られた結晶を示す図である。
【図７】第２の結晶化方法の説明図である。
【図８】図１における第１中間光学系の具体的構成を示す図である。
【図９】上記第１中間光学系の図８とは異なる具体的構成を示す図である。
【図１０】上記第１中間光学系の図８および図９とは異なる具体的構成を示す図である。
【図１１】図１における第２中間光学系の具体的構成を示す図である。
【図１２】図１１に示す第２中間光学系による第２ビームスポットの形状を示す図である。
【図１３】図１１における強度均一化素子の光線に対する作用を示す図である。
【図１４】図１３とは異なる強度均一化素子の光線に対する作用を示す図である。
【図１５】図１４に示す強度均一化素子(ホログラム素子)による第２ビームスポットの形状を示す図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１…第１レーザー発振器、
２…第１中間光学系、
３…第２レーザー発振器、
４…第２中間光学系、
５…基板駆動装置、
６…基板、
１１…第１ビームスポット、
１２,６４,７５…第２ビームスポット、
１５,１８…結晶、
１６…１回の照射当りの成長長さ、
１７…ビームスポット移動距離、
１９…リッジの無い平坦な結晶が得られる領域、
２１…第１帯状領域、
２２…第２帯状結晶化の開始位置、
２３…第２帯状領域、
３１,３２,４１,４２,５１,５２…凸レンズ、
３３,４３,５３,７１…ホログラム素子、
３４,４５,５７…所望の強度分布、
４４,５４…円筒レンズ、
５５…スリット、
５６…結像レンズ(群)、
６１,６２…レンズ、
６３…強度均一化素子、
６３a,６３b…非球面レンズ。
【図１】
2006041082.tif 000003
【図２】
2006041082.tif 000004
【図３】
2006041082.tif 000005
【図４】
2006041082.tif 000006
【図５】
2006041082.tif 000007
【図６】
2006041082.tif 000008
【図７】
2006041082.tif 000009
【図８】
2006041082.tif 000010
【図９】
2006041082.tif 000011
【図１０】
2006041082.tif 000012
【図１１】
2006041082.tif 000013
【図１２】
2006041082.tif 000014
【図１３】
2006041082.tif 000015
【図１４】
2006041082.tif 000016
【図１５】
2006041082.tif 000017