(57)【要約】【課題】  スーパーラテラル成長法において、より長くかつばらつきの少ない針状結晶を形成する半導体薄膜の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】  少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法であって、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法であって、
予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記少なくとも二種類のレーザ光は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記基準レーザ光が第二のレーザ光であり、該第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御することを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御することを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記第一のレーザ光が紫外域または可視域の波長を有し、前記第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有することを特徴とする、請求項２〜６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記第二のレーザ光が９〜１１μｍの範囲内の波長を有することを特徴とする、請求項２〜７のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える半導体薄膜製造装置。
【請求項１１】
前記二つ以上のレーザ光源は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源とを含み、
検知手段が、基準レーザ光が第二のレーザ光である場合に、該第二のレーザ光が照射された部位の反射率の変化を検知可能であり、
制御手段が、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて第一のレーザ光または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能であることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１２】
検知手段が、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化を検知可能であることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１３】
検知手段が、光センサと光センサからの信号を処理できる信号処理回路とから構成され、
前記光センサは前駆体半導体薄膜基板における反射前の前記第二のレーザ光と反射後の前記第二のレーザ光とを検知できるように配置されており、
前記信号処理回路は前記光センサから送信される反射前の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号と反射後の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号とを処理して、反射率を示す信号を生成することができる、請求項１２に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１４】
前記第一のレーザ光源は紫外域の波長を有する第一のレーザ光を照射し、前記第二のレーザ光源は可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１５】
前記第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光は９〜１１μｍの波長を有することを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１６】
再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギビーム、特にレーザ光を利用した半導体薄膜の製造方法およびそのための製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス半導体薄膜を再結晶化して多結晶半導体薄膜とし、当該多結晶半導体薄膜にトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、アモルファス半導体薄膜に直接トランジスタを形成したアモルファス薄膜トランジスタと比較して電界移動度が大きいため高速動作が期待でき、液晶デバイスの駆動系のみならずガラス基板上での大規模集積回路を実現できる可能性を有している。
【０００３】
結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、たとえば、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や一部の周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、これらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、その他の長所として、結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、表示装置の高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
多結晶半導体薄膜は、気相成長法によって得られるアモルファス半導体薄膜を、長時間、ガラスの歪点（約６００℃〜６５０℃）以下で熱アニールするか、レーザなどの高エネルギ密度を有する光を照射する光アニール法によって得られる。光アニール法では、ガラス基板の温度を歪点まで上昇させずに、半導体薄膜のみに高いエネルギを与えることが可能であるため、移動度が高い半導体薄膜の結晶化には非常に有効であると考えられる。
【０００６】
上記エキシマレーザを用いた再結晶化技術は一般的にＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法と称され、生産性に優れるレーザ結晶化技術として、工業的に用いられている。ＥＬＡ法は、具体的には、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、前記ガラス基板を一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のエキシマレーザをガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜にパルス照射するものである。この方法によって、アモルファスシリコン薄膜の厚さと同程度の平均粒径を有する多結晶シリコン薄膜が形成される。このとき、エキシマレーザを照射した部分のアモルファスシリコン薄膜は、厚さ方向全域にわたって溶融させるのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融させる。そのためレーザ光照射領域全面にわたって、いたるところにシリコンの結晶核が発生するので、シリコン薄膜の最表層に向かってシリコンの結晶が形成される。
【０００７】
ここで、さらに高性能な表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることや、シリコン結晶の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。その中でも特に、結晶を横方向に成長させる技術（特許文献１参照）がある（以下、「スーパーラテラル成長法」と記す。）。これは、まず数μｍ程度の微細幅のパルスレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行う。これにより溶融部と非溶融部の境界がガラス基板面に対して垂直に形成されるため、そこで発生した結晶核から結晶が全て横方向に成長する。その結果、１パルスのレーザ照射により、ガラスの基板面に対して平行で、大きさが均一な針状の結晶が得られる。１パルスのレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度であるが、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射していくことにより、既に成長した結晶を引き継いで、長い針状の結晶粒が得られるといった特徴を有している。
【０００８】
しかしながら前記スーパーラテラル成長法においては、１パルスのレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度である。図８に示すように、結晶長の２倍以上の領域を溶融させた場合は、溶融領域の中央部に微細な結晶が形成される（図８（ｂ））。この微細な結晶は、ラテラル成長した結晶ではなく、基板方向への熱の流出に支配されて、基板方向に成長したものとなる。そのため、溶融領域を拡大することにより、結晶長が飛躍的に長い針状結晶を得ることはできない。したがって、スーパーラテラル成長法では、０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチでパルスレーザ照射を繰り返し行い、既に成長した結晶を引き継いで、長い針状の結晶粒が得ている。このため、表示装置などに用いる基板の全面にわたって結晶化するには極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題が指摘されている。
【０００９】
そこで、１パルスのレーザ照射によってより長い針状結晶を形成するための技術として、基板をヒータで加熱する方法や、基板もしくは下地膜をレーザで加熱する方法が数多く提案されている（たとえば、特許文献２を参照）。しかしながら、ヒーターでの基板加熱の場合、広範囲に対して長時間の温度維持が必要となるので、基板や下地膜、半導体膜の変質の原因となる可能性がある。また、温度が一定でないと、冷却時間に差が生じるため、結晶粒の大きさにばらつきが生じ、半導体の特性のばらつきの原因となる。これは結晶粒の平均的大きさが大きくなればなるほど顕著となる。レーザによる加熱の場合、レーザ照射装置の照射エネルギのばらつきがそのまま、温度のばらつきとなるため、温度を一定に保つのは困難である。
【００１０】
半導体薄膜表面の温度を一定に保つために、半導体基板表面での温度の変化を検知してレーザ発振器を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献３を参照）。この特許文献３に記載の技術は、詳しくは、レーザ照射部の温度を放射温度計により検知して、その結果に応じてレーザ光を変調するというものである。しかし、放射温度温度計の応答速度は、速いもので数ｍｓｅｃオーダーであるため、数１００ｎｓｅｃ、μｓｅｃオーダーのパルス幅を有するレーザ光によるレーザ加工位置の温度測定には適用できないという問題点があった。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特許第３２２１１４９号公報
【特許文献３】特許第３２１３３３８号公報
【特許文献４】特開平５−２３５１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、数１００ｎｓｅｃ、μｓｅｃオーダーのパルス幅を有するレーザ光を用いた半導体薄膜製造方法において、レーザ照射部の温度の変化を前記オーダーで検知する手段を備えた半導体薄膜の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明はさらに、数１００ｎｓｅｃ〜μｓｅｃオーダーの時間、半導体基板を特定の温度に加熱する手段を備えた半導体薄膜の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明はさらに、スーパーラテラル成長法において、より長くかつばらつきの少ない針状結晶を形成する半導体薄膜の製造方法および製造装置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】
【００１４】
本発明は、少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法であって、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御することを特徴とする半導体薄膜の製造方法を提供する。
【００１５】
好ましくは、前記少なくとも二種類のレーザ光は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含む。
【００１６】
好ましくは、前記基準レーザ光が第二のレーザ光であり、該第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させる。
【００１７】
好ましくは、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光を照射する。
【００１８】
好ましくは、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御する。
【００１９】
好ましくは、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御する。
【００２０】
好ましくは、前記第一のレーザ光が紫外域または可視域の波長を有し、前記第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有する。
【００２１】
好ましくは、前記第二のレーザ光が９〜１１μｍの範囲内の波長を有する。
【００２２】
好ましくは、再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長される。
【００２３】
本発明はまた、少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える半導体薄膜製造装置を提供する。
【００２４】
好ましくは、前記二つ以上のレーザ光源は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源とを含み、検知手段が、基準レーザ光が第二のレーザ光である場合に、該第二のレーザ光が照射された部位の反射率の変化を検知可能であり、制御手段が、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて第一のレーザ光または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能である。
【００２５】
好ましくは、検知手段が、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化を検知可能である。
【００２６】
好ましくは、検知手段が、光センサと光センサからの信号を処理できる信号処理回路とから構成され、前記光センサは前駆体半導体薄膜基板における反射前の前記第二のレーザ光と反射後の前記第二のレーザ光とを検知できるように配置されており、前記信号処理回路は前記光センサから送信される反射前の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号と反射後の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号とを処理して、反射率を示す信号を生成する。
【００２７】
好ましくは、前記第一のレーザ光源は紫外域の波長を有する第一のレーザ光を照射し、前記第二のレーザ光源は可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射する。
【００２８】
好ましくは、前記第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光は９〜１１μｍの波長を有する。
【００２９】
好ましくは、再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることがなく、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造する方法、およびそのための製造装置を提供することができる。このような本発明の製造方法、製造装置によって、従来と比較して性能が大幅に向上された薄膜トランジスタを安定して製造することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、スーパーラテラル成長法における送りピッチを飛躍的に長くすることができるため、結晶化処理時間の飛躍的な短縮も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（半導体薄膜製造方法）
本発明の半導体薄膜の製造方法は、少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法であって、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御することを特徴とする。
【００３２】
本発明に用いられるレーザ光は、少なくとも二種類用いられ、当該少なくとも二種類のレーザ光のうちいずれかのレーザ光が前駆体半導体薄膜基板に照射されることによって、前駆体半導体薄膜が溶融再結晶化されて多結晶半導体領域が形成されるようなものであれば、その種類は特に制限されるものではないが、特に、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含むことが好ましい。
【００３３】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、予め定める基準レーザ光を照射した部位の反射率の変化に応じて、レーザ光の照射またはパワー密度を制御することに重要な技術的意義を有する。ここで、「基準レーザ光」とは、前記少なくとも二種類のレーザ光のうちから任意に予め定められた一のレーザ光であり、前駆体半導体薄膜の溶融再結晶化のためのレーザ光の照射に先立ち、前駆体半導体薄膜に照射される。上述したような第一のレーザ光および第二のレーザ光を用いる場合、第二のレーザ光を基準レーザ光としてもよいし、またそれ以外のレーザ光（第三のレーザ光）を基準レーザ光としてもよい。
【００３４】
本発明において、前駆体半導体薄膜の溶融再結晶化のためのレーザ光は、前記基準レーザ光が照射された部位の反射率の変化に応じて制御される。ここで、「反射率の変化」とは、前駆体半導体薄膜において、照射された基準レーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比の変化のことである。
【００３５】
また本発明においては、前記基準レーザ光が前駆体半導体薄膜に照射された部位における反射率の変化に応じて、溶融再結晶化のためのレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度が制御される。上述のように「少なくとも二種類のレーザ光」が前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を含む場合には、基準レーザ光の前記反射率の変化に応じて制御されるのは、第一のレーザ光、第二のレーザ光のうちのいずれであってもよい。
【００３６】
かかる本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることがなく、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造する方法、およびそのための製造装置を提供することができる。また、このような本発明の製造方法によって、従来と比較して性能が大幅に向上された薄膜トランジスタを安定して製造することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、スーパーラテラル成長法における送りピッチを飛躍的に長くすることができるため、結晶化処理時間の飛躍的な短縮も可能となる。
【００３７】
ここで、レーザ光のエネルギは、パワー密度をＰ（ｔ）、照照射時間をｔ１、照射面積をＳとして、照射波形が矩形の場合はＰ（ｔ）＝ＰでありＰ×ｔ１×Ｓ、照射波形が矩形以外の場合は次の式
【００３８】
【数１】
2006005148.tif 000002
【００３９】
と表すことができる。
【００４０】
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、少なくとも二種類のレーザ光が、上述のように前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含み、当該第二のレーザ光を基準レーザ光として、第二のレーザ光に対する反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御しながら前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることが好ましい。第三のレーザ光を基準レーザ光とするよりも、第二のレーザ光を基準レーザ光とした方が、装置構造を簡略化することができるという利点がある。
【００４１】
上述した本発明の半導体薄膜の製造方法において、以下の（１）〜（３）のいずれかの態様が、特に好ましい。
（１）基準レーザ光としての第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一のレーザ光を照射する方法（以下、「第一の方法」と呼ぶ）、
（２）基準レーザ光としての第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御する方法（以下、「第二の方法」と呼ぶ）、
（３）基準レーザ光としての第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御する方法（以下、「第三の方法」と呼ぶ）。
【００４２】
以下、これらの各態様について詳述する。
【００４３】
（１）第一の方法
図１は、本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記第一の方法について説明するためのグラフであって、第一のレーザ光および第二のレーザ光についての時間とパワー密度との関係を表す図であり、縦軸はパワー密度、横軸は時間を示している。図１のグラフにおいて、符号１は第一のレーザ光の照射波形を示しており、符号２は第二のレーザ光の照射波形を示している。
【００４４】
また図２は、第二のレーザ光を照射し、当該第二のレーザ光の反射率の変化を検知することなく第一のレーザ光の照射を行った場合の実験結果について示すグラフであって、第一のレーザ光のエネルギフルエンスと結晶長との関係を表す。図２において、横軸は、第一のレーザ光のエネルギフルエンス（Ｊ／ｍ２）であり、縦軸は結晶長（μｍ）である。
【００４５】
図２を参照すると、第一のレーザ光のエネルギフルエンスがほぼ同じ値であるにもかかわらず、照射毎に結晶長がばらついていることがわかる。これは、照射ごとの第二のレーザ光のエネルギのばらつきによるものである。このような結晶長のばらつきは、得られた半導体の特性に悪影響を及ぼしてしまう。
【００４６】
本発明における上述した第一の方法では、図１に示すように、まず、基準レーザ光として、第二のレーザ光を、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板に照射する。そして、第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板での反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率を検知し、当該反射率がある所定の値となった時点で、第一のレーザ光を照射する。このような第一の方法により、照射毎の結晶長のばらつきを低減でき、飛躍的に結晶長の長い針状結晶を安定して得ることができる。
【００４７】
また、第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板での反射前の照射波形と反射後の照射波形を図３に示す。符号３１は反射前の照射波形を示し、符号３２は反射後の照射波形を示す。縦軸はパワー密度、横軸は照射時間を示している。図３に示すように照射時間の経過に伴うパワー密度が、反射前と反射後で異なっていることがわかる。
【００４８】
図３の結果より算出される照射時間の経過に伴う、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化を図４に示す。縦軸は第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比、横軸は照射時間を示す。図４より照射時間の増加に伴い、第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率が変化していることがわかる。照射時間の増加は前駆体半導体薄膜基板の温度上昇を示すことから、温度上昇に伴い、第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率が変化していると考えられる。
【００４９】
上述のように溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板に照射すると、前駆体半導体薄膜または半導体薄膜基板が加熱される。第二のレーザ光のエネルギは照射ごとに変動するから、たとえ第二のレーザ光の照射開始時間に対する第一のレーザ光の照射開始時間の差である遅延時間が同じであっても、第一のレーザ光が照射されるときの前駆体半導体薄膜および前駆体半導体薄膜基板の温度は、第二のレーザ光の照射ごとに異なる。そのため、図２に示すように、飛躍的にラテラル結晶の結晶長を伸ばすようなレーザ加工条件において、第一のレーザ光のエネルギフルエンスが同じであっても、第二のレーザ光の照射ごとに結晶長が異なっていた。
【００５０】
本発明における上述の第一の方法においては、第二のレーザ光の照射による前駆体半導体薄膜または半導体薄膜基板の温度の変化を、前駆体半導体薄膜における当該第二のレーザ光の第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化より検知し、前駆体半導体薄膜または半導体薄膜基板がある所定の温度に達した時点で、第一のレーザ光を照射するようにする。このようにすることで、第二のレーザ光の照射ごとのエネルギの変動の影響を受けにくくなり、照射ごとに安定した結晶長を得ることができる。
【００５１】
上述した基準レーザ光としての第二のレーザの照射による前駆体半導体薄膜の温度変化は、前記第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板での反射率の変化より検知することができる。一般に、半導体材料や金属材料は、各波長の光に対して所定の反射率を有している。これは反射率が各材料の各波長における屈折率に依存するためである。さらに、屈折率は材料の温度に対して依存性を有している。そのため、反射率は温度依存性を有する。
【００５２】
本発明者らは、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板の、波長１０．６μｍのレーザ光に対する反射率は、室温（２５℃）、約３００℃、約６００℃において、それぞれ約１６％、約１９％、約２０％という実験結果を得た。当該反射率は、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板の温度をほとんど上昇させない程度の波長１０．６μｍのレーザ光を斜め方向より基板に照射して、その基板での反射前と反射後のパルスエネルギをエネルギメーターにより測定し、反射前の測定値に対する反射後の測定値の比より求めた。測定に用いた半導体薄膜基板の膜構造は、ガラス基板および１０００Åの酸化珪素膜（ＳｉＯ２）、４５０Åの非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）からなる。
【００５３】
室温以外の反射率についてはヒータで基板を加熱しながら測定を実施した。各温度における半導体薄膜基板における反射後の第二のレーザ光のパワー密度は、（反射前の第二のレーザ光のパワー密度）×（各温度における反射率）により求めることができる。第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ２、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとすると、検知される第二のレーザ光の反射光のパワー密度は室温、３００℃、６００℃においてそれぞれ１０．０ＭＷ／ｍ２、１１．９ＭＷ／ｍ２、１２．５ＭＷ／ｍ２となる。この結果より、たとえば、前駆体半導体薄膜の温度が３００℃のときに第一のレーザ光を照射する場合には、検知された第二のレーザ光のパワー密度が１０．０ＭＷ／ｍ２から１１．９ＭＷ／ｍ２に変位したことを検知した後に第一のレーザ光を照射すればよい。前駆体半導体薄膜の温度が３００℃周辺の場合には、前駆体半導体薄膜の温度が約１０℃変位するごとに、反射光のパワー密度は０．０３ＭＷ／ｍ２変位する。望ましくは、この変位量０．０３ＭＷ／ｍ２を認識して、第一のレーザ光の照射のタイミングを制御できるようにする。
【００５４】
かかる第一の方法においては、第一のレーザ光、第二のレーザ光のエネルギフルエンスは、固定値とする。この場合、第一のレーザ光のエネルギフルエンスは、１５００〜３５００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのが好ましく、２５００〜３０００ｍＪ／ｍ２の範囲から選ばれるのがより好ましい。第一のレーザ光のエネルギフルエンスが１５００Ｊ／ｍ２未満であると、結晶長の長い結晶粒を形成することができず、また第一のレーザ光のエネルギフルエンスが３５００Ｊ／ｍ２を超えると、Ｓｉ薄膜のアブレーションが発生し易くなるという傾向にあるためである。
【００５５】
また、第二のレーザ光のパルス幅が１３０μｓｅｃの場合、第二のレーザ光のエネルギフルエンスは、７５００〜１００００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのが好ましく、８０００〜９０００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのがより好ましい。第二のレーザ光のエネルギフルエンスが７５００Ｊ／ｍ２未満であると、結晶長の長い結晶粒を形成することができず、また第二のレーザ光のエネルギフルエンスが１００００Ｊ／ｃｍ２を超えると、Ｓｉ薄膜のアブレーションが発生し易くなる、半導体薄膜基板が第二のレーザ光により変形および／または破損するという傾向にあるためである。
【００５６】
（２）第二の方法
本発明において上述した第二の方法では、まず、図１に示すように基準レーザ光として、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、所定の時間が経過した後に、第一のレーザ光を照射する。ただし、第二の方法においては、上述した第一の方法とは異なり、第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板での反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比を検知し、第一のレーザ光を照射する直前の検知結果に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御する。
【００５７】
具体的には、検知された第二のレーザ光のパワー密度の比が所定の値より小さい場合には、第一のレーザ光のパワー密度を所定の値より大きくし、逆に、反射光のパワー密度が所定の値より大きい場合には、第一のレーザ光のパワー密度を小さくする。図２より、第一のレーザ光のエネルギフルエンスの増加に伴い、結晶長が増加していることから、第一のエネルギフルエンスの制御により結晶長を制御できることがわかる。
【００５８】
第二の方法では、第二のレーザ光の反射光のパワー密度のばらつきに応じて、第一のレーザ光の照射エネルギの設定値を変更することによって第一のレーザ光のパワー密度を制御することで、所望の結晶長を有する半導体薄膜を製造することが可能となる。
【００５９】
かかる第二の方法において、第一のレーザ光の照射を開始する時点は固定される。第一のレーザ光の照射開始時点は、所望する結晶長長さ、第一のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパルス幅によって決まる。照射開始時間が所定時間より短い場合は結晶長が所望の長さより短くなる。また、照射開始時間が第二のレーザ光のパルス幅より長い場合についても結晶長が所望の長さより短くなるという傾向がある。
【００６０】
例えば、所望の結晶長長さを１０μｍ以上、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ２、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ２、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした場合、第一のレーザ光の照射開始時点は、第二のレーザ光の照射開始後、１１０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのが好ましく、１２０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのがより好ましい。第二のレーザ光の照射開始後１１０μｓｅｃ未満の時点で第一のレーザ光を照射開始すると、結晶長が所望の長さより短くなるというような傾向にあるためであり、また、第二のレーザ光の照射開始後１３０μｓｅｃを超えた時点で第一のレーザ光を照射開始した場合も結晶長が所望の長さより短くなるというような傾向にあるためである。
【００６１】
（３）第三の方法
図５は、本発明の半導体薄膜の製造方法において、上述の前記第三の方法について説明するためのグラフであり、第一のレーザ光および第二のレーザ光について時間とパワー密度との関係を示す。図５において、縦軸はパワー密度、横軸は時間を示し、また、符号３は第一のレーザ光の照射波形を示しており、符号４は第二のレーザ光の照射波形を示している。
【００６２】
本発明の第三の方法では、まず、図５に示すように基準レーザ光として、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、所定の時間が経過した後に、第一のレーザ光を照射する。ただし、第三の方法においては、上述した第二の方法とは異なり、前駆体半導体薄膜上の第二のレーザ光のパワー密度の比を検知し、第二のレーザ光を照射する直前の検知結果に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御する。
【００６３】
具体的には、検知された第二のレーザ光のパワー密度の比が所定の値より小さい場合には、第二のレーザ光のパワー密度を大きくし、逆に、反射光のパワー密度が所定の値より大きい場合には、第二のレーザ光のパワー密度を小さくする。
【００６４】
図８に示したような微細な結晶は、基板方向への熱流入によりラテラル成長が抑止されることによって、レーザ照射領域の中央部に形成される。したがって、レーザ照射領域の中央部に形成される微細な結晶の発生を抑止しラテラル成長距離をより長くするためには、レーザ照射領域中央部の凝固を遅らせることができればよい。第三の方法においては、溶融シリコンへの第二のレーザ光のパワー密度を制御することによって、溶融したシリコンの再結晶化の過程の制御（冷却速度の調整）をすることができ、照射ごとに安定した結晶長を得ることができる。
【００６５】
かかる第三の方法においても、上述した第二の方法の場合と同様に、第一のレーザ光の照射を開始する時点は固定される。第一のレーザ光の照射開始時点は、所望の結晶長長さ、第一のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパルス幅によって決まる。照射開始時間が所定時間より短い場合は結晶長が所望の長さより短くなる。また、照射開始時間が第二のレーザ光のパルス幅より長い場合についても結晶長が所望の長さより短くなるという傾向がある。
【００６６】
例えば、所望の結晶長長さを１０μｍ以上、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ２、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ２、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした場合、第一のレーザ光の照射開始時点は、第二のレーザ光の照射開始後、１１０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのが好ましく、１２０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのがより好ましい。第二のレーザ光の照射開始後１１０μｓｅｃ未満の時点で第一のレーザ光を照射開始すると、結晶長が所望の長さより短くなるというような傾向にあるためであり、また、第二のレーザ光の照射開始後１３０μｓｅｃを超えた時点で第一のレーザ光を照射開始した場合も結晶長が所望の長さより短くなるというような傾向にあるためである。
【００６７】
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、少なくとも二種類のレーザ光が前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を含む場合、第一のレーザ光としては、ｎｓ〜μｓオーダーの極めて短い時間に大きなエネルギを薄膜に与えることができること、ならびに、紫外域の光はシリコン薄膜によく吸収されることから、紫外域の波長を有するレーザ光を用いるのが好ましい。ここで「紫外域の波長」とは、１ｎｍ以上４００ｎｍ未満の波長を指す。このような第一のレーザ光としては、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどを好適に用いることができる。中でも、波長３０８ｎｍのエキシマレーザが特に好適である。
【００６８】
また、少なくとも二種類のレーザ光が前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を含む場合、前記第二のレーザ光としては、溶融されたシリコンの再結晶化の過程を制御し得る必要がある。すなわち、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板を加熱し得、また溶融シリコンに吸収され得る必要があることから、可視域または赤外域の波長を有するレーザ光（可視域から赤外域の波長を有するレーザ光）を用いることが好ましい。ここで、「可視域の波長」とは４００ｎｍ以上７５０ｎｍ未満の波長を指し、「赤外域の波長」とは７５０ｎｍ以上１ｍｍ以下の波長を指す。このような第二のレーザ光としては、たとえば、５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザまたは１０．６μｍの波長を有するＣＯ２レーザを特に好適に用いることができる。
【００６９】
波長５３２、１０６４ｎｍの光に対する液体シリコンの吸収率は約６０％（特許文献４参照）、また波長１０．６μｍの光に対する液体シリコンの吸収率は約１０〜２０％（本発明者らの実験結果）である。よって、特に第三の方法においては、溶融シリコンへの吸収率が大きい、波長５３２ｎｍ、１０６４ｎｍのレーザを用いると良い。
【００７０】
本発明においては、上記第一の方法〜第三の方法のうち、それぞれ単独で用いてもよいし、いずれか２つ以上を組み合わせて用いてもよい。結晶成長の条件によって、どの方法を用いるかは適宜設定することができる。
【００７１】
（半導体薄膜製造装置）
本発明の半導体薄膜製造装置によれば、少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える。
【００７２】
本発明の半導体薄膜製造装置において、「少なくとも二種類のレーザ光」とは、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含む。
【００７３】
また本発明において、「基準レーザ光」とは、少なくとも二種類のレーザ光のうちから任意に予め定められたレーザ光であり、前駆体半導体薄膜の溶融再結晶化のためのレーザ光の照射に先立ち、前駆体半導体薄膜に照射される。前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を用いる場合、第二のレーザ光を基準レーザ光としてもよいし、またそれ以外のレーザ光（第三のレーザ光）を基準レーザ光としてもよい。
【００７４】
また本発明において、「反射率の変化」とは、前駆体半導体薄膜において、照射された基準レーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比の変化のことである。以下本発明の半導体薄膜の製造装置について図を用いて詳細に説明する。
【００７５】
図７は、本発明の半導体薄膜製造装置１０の好ましい一例を概略的に示す図である。本発明の半導体製造装置１０は、図７に示すように、二つ以上のレーザ光源として、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源１１と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源１２とを有する。
【００７６】
本発明の半導体薄膜装置１０はさらに、基準レーザ光として第二のレーザ光が照射された部位の反射率の変化を検知可能な検知器２２，２６と信号処理回路２７とからなる検知手段を備え、当該信号処理回路２７は、検知器２２，２６から送信される反射前の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号と反射後の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号とを処理して、反射率を示す信号を生成する。
【００７７】
本発明の半導体薄膜装置１０はさらに、第一のレーザ光源１１および第二のレーザ光源１２と接続され、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した部位の反射率の変化に応じて第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能な制御手段２３を備える。当該制御手段２３は、信号処理回路２７と接続されており、信号処理回路２７により生成された反射率の信号を受信する。
【００７８】
図７に示すような半導体薄膜製造装置１０においては、当分野にて従来より広く用いられている公知のレーザ発振器および各種光学部品、検知手段および制御手段を適宜組み合わせることによって好適に実現することができる。
【００７９】
図７に示す例の半導体薄膜製造装置１０はさらに、第一のレーザ発振器１１から出射された第一のレーザ光は、アッテネータ１３、均一照射光学系１５、マスク１７、結像レンズ２０を通過する第一のレーザ光路を経て、基板複合体５上に照射されるように構成される。基板複合体５は、水平方向に所定の速度で移動可能なステージ１９上に載置される。
【００８０】
第一のレーザ発振器１１は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有するレーザ光を発振可能なものであれば、特に制限されるものではないが、上述したように、ナノ秒（ｎｓ）からマイクロ秒（μｓ）オーダーの極めて短い時間に大きなエネルギを薄膜に与えることができること、ならびに、紫外域の光はシリコン薄膜によく吸収されることから、紫外域の波長を有するレーザ光を発振可能なものであるのが好ましい。
【００８１】
このような第一のレーザ発振器としては、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザを発振可能なものを好適に用いることができ、中でも、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを発振するレーザ発振器が特に好適である。また、第一のレーザ発振器としては、パルス状のエネルギビームを出射し得るものであるのが好ましい。
【００８２】
第一のレーザ発振器１１より出射されたレーザ光は、第一のレーザ光路に設けられたアッテネータ１３によって、所定の光量に減衰され、パワー密度が調整される。その後、第一のレーザ光は、均一照射光学系１５によってパワー密度分布が均一化されて適当な寸法に整形され、マスク１７のパターン形成面に均一に照射される。マスク１７の像は、結像レンズ２０によって、基板複合体５上に所定倍率（たとえば、１／４）で結像される。また、第一のレーザ光路に設けられたミラー２１は、レーザ光を折返すために用いるが、配置部位、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【００８３】
また、図７に示す例の半導体薄膜製造装置１０においては、第二のレーザ発振器１２から出射された第二のレーザ光についても、ビームスプリッタ２５、アッテネータ１４、均一照射光学系１６、マスク１８、結像レンズ２４を通過する第二のレーザ光路を経て、基板複合体５上に照射されるように構成される。ビームスプリッタ２５の設置位置については特に第二のレーザ発振器１２とアッテネータ１４の間に限定されるわけではなく、第二のレーザ発振器１２と基板複合体５の間であればどこでも良い。
【００８４】
第二のレーザ発振器１２は、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有するレーザ光を発振可能なものであれば、特に制限されるものではないが、溶融したシリコンの再結晶化の過程を制御し得るとともに前駆体半導体薄膜を加熱し、また溶融シリコンに吸収され得ることから、可視域または赤外域の波長を有するレーザ光（可視域から赤外域の波長を有するレーザ光）を発振可能なものであるのが好ましい。
【００８５】
このような第二のレーザ発振器としては、たとえば、５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、または１０．６μｍの波長を有するＣＯ２レーザを特に好適に用いることができる。また、第二のレーザ光としては、レーザ光を連続照射するものであってもよいし、パルス照射するものであってもよい。
【００８６】
第二のレーザ発振器１２より出射されたレーザ光は、第二のレーザ光路に設けられたアッテネータ１４によって、所定の光量に減衰され、パワー密度が調整される。その後、第二のレーザ光は、均一照射光学系１６によってパワー密度分布が均一化されて適当な寸法に整形され、マスク１８のパターン形成面に均一に照射される。マスク１８の像は、結像レンズ２４によって、基板複合体５上に所定倍率で結像される。また、第二のレーザ光路に設けられたミラー２１は、レーザ光を折返すために用いるが、配置部位、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。ビームスプリッタ２５は、第二のレーザ光を所定の比率にて分岐し、第二のレーザ光の一部を検知器２２に入射させるために用いる。
【００８７】
検知手段は、検知器２２、検知器２６および信号処理回路２７より構成されており、検知器２２および検知器２６はそれぞれ、前駆体半導体薄膜上における第二のレーザ光の反射前および反射後のパワー密度を計測できるように構成されている。かかる検知器２２および検知器２６としては、前記パワー密度を計測可能なものであれば特に制限されるものではなく、光センサ、焦電センサなど、従来公知の適宜の検知手段を用いることができる。中でも、高速応答性に優れた光センサを用いるのが好ましい。
【００８８】
光センサを用いる場合は、特に制限されるわけではなく、感光部がＳｉにより構成されているものでもよい。第二のレーザ光として波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いた場合は、感光部がＡｇＯＣｓもしくはＩｎＧａＡｓにより構成されているものを用いるのが好ましい。第二のレーザ光として波長１０．６μｍのＣＯ２レーザを用いた場合は、感光部がＨｄＣｄＺｎＴｅにより構成されているものを用いるのが好ましい。また、光センサは、所定のレーザ耐力を有することから、減衰光学系（図示せず）を有するのが好ましい。
【００８９】
また、信号処理回路２７は、検知器２６からの反射前の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号４１と検知器２２からの反射後の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号４２より、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比を示す信号を生成することができ、制御手段２３に出力し得る構成としたものが好ましい。
【００９０】
具体的には、信号処理回路２７は、図９に示すように、割算回路を含む回路５１により構成されており、上記信号４１，４２を回路５１において処理し、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比すなわち反射率を示す電圧値を有する信号４３を生成することができ、制御手段２３に出力し得る。
【００９１】
制御手段２３は、信号処理回路２７からの第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射率を表す電圧値に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能なものであれば、特に制限されるものではない。上述した本発明の半導体薄膜の製造方法の好ましい態様である第一の方法〜第三の方法のうち、いずれの態様に適用させるかによって、異なる構成を採る。
【００９２】
例えば、上述した第一の方法に用いる場合の半導体薄膜製造装置における制御手段は、検知手段によって検知された第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光の照射のタイミングを制御し得るように実現される。
【００９３】
具体的には、制御手段２３は主にコンパレータにより構成される回路を有しており、図１０に示すように、信号処理回路２７からの、第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比を表す信号４３を、主にコンパレータより構成される回路５２を備える制御手段２３において所定の電圧値に達したことを検知して、第一のレーザ光を照射させるための信号４４を生成することができる。「信号処理回路２７からの、所定の電圧値」とは反射率に相当するものであり、所望の値を設定することができる。
【００９４】
上述した第二の方法に用いる場合の半導体薄膜製造装置における制御手段は、検知手段によって検知された第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御し得るように実現される。
【００９５】
具体的には、制御手段２３は、主にサンプル／ホールド回路、サンプルパルスを生成することができる回路および反転増幅回路を含む回路５３により構成されており、図１１に示すように信号処理回路２７からの第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比を表す信号４３の電圧値に応じて第一のレーザ発振器へ出力される電圧値を所定の電圧値より変化させる、すなわち第一のレーザ光を照射させるための信号４４を送信することができる。詳細には、所定の時間（例えば第一のレーザ光の照射開始時点）において、信号処理回路２７からの信号が所定の電圧値以上であれば、第一のレーザ発振器へ出力される信号４４を所定の電圧値より小さくする。信号処理回路２７からの信号が所定の電圧値より小さければ、第一のレーザ発振器への信号を所定の電圧値より大きくする。「第一のレーザ発振器へ出力される所定の電圧値」とは、第一のレーザ光のパワー密度を定めるものであり、所望の値に設定することができる。
【００９６】
上述した第三の方法に用いる場合の半導体薄膜製造装置における制御手段は、検知手段によって検知された第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度に求められる反射率の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御し得るように実現される。
【００９７】
具体的には、制御手段２３は主にサンプル／ホールド回路、サンプルパルスを生成することができる回路および反転増幅回路を含む回路５４により構成されており、図１２に示すように信号処理回路２７からの、第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比を表す信号４３の電圧値に応じて第二のレーザ発振器へ出力される電圧値を所定の電圧値より変化させることができる。
【００９８】
詳しくは、所定の時間（例えば第一のレーザ光の照射開始時点）において、信号処理回路２７からの信号が所定の電圧値以上であれば、第二のレーザ発振器へ出力される信号４４を所定の電圧値より小さくする。信号処理回路２７からの信号が所定の電圧値より小さければ、第二のレーザ発振器への信号を所定の電圧値より大きくする。「第二のレーザ発振器へ出力される所定の電圧値」とは、第二のレーザ光のパワー密度を定めるものであり、所望の値に設定することができる。
【００９９】
上述したような制御手段は、制御の条件に応じて、従来公知の適宜の制御手段を用いるか、あるいは組み合わせることで、実現することができる。制御手段２３はまた、図示してはいないが、前記ステージ１９位置の制御、レーザ照射目標位置の記憶、装置内部の温度制御、装置内部の雰囲気制御を行うように構成されていることが好ましい。
【０１００】
なお、上述した例においては、検知手段として、第二のレーザ光の反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の変化を検知する光センサと信号処理回路から構成されるものなどを例示したが、本発明の半導体薄膜製造装置における検知手段は、前駆体半導体薄膜上の基準レーザ光が照射された部位における反射率の変化を検知し得るものであればよく、たとえば、第三のレーザ光を照射可能なレーザ光源（第三のレーザ光源）をさらに備え、かかる第三のレーザ光を基準レーザ光として用い、この第三のレーザ光の波長に対応して検知可能な光センサなどを用いるようにしてもよい。かかる場合、第三のレーザ光としては、前駆体半導体薄膜の温度変化に対してより反射率が大きく変化する波長を有するものが好ましい。たとえば、基準レーザ光として５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザと１０．６μｍの波長を有する炭酸ガスレーザとを比較した場合、本発明者らの実験結果より、前駆体半導体薄膜基板の温度が３００℃周辺の場合、前駆体半導体薄膜基板の温度が約１０℃変位するごとに、反射率の変化量はそれぞれ０．０７％、０．０９％である。単位温度あたりの反射率の変化量が大きい方が、温度差を検知しやすいことから、炭酸ガスレーザの方が好ましい。また、この場合、光センサとしては、感光部がＨｄＣｄＺｎＴｅにより形成されたものを用いるのが好ましい。
【０１０１】
上述したように、本発明の半導体薄膜製造装置を用いることで、上述した本発明の半導体薄膜の製造方法を好適に行うことができ、照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることがなく、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造することができ、結果として、従来と比較して性能が大幅に向上された薄膜トランジスタを安定して製造することが可能となる。
【０１０２】
本発明において、基板複合体５は、絶縁性基板上に前駆体半導体薄膜が形成されてなる。ここで、前駆体半導体薄膜とは、本発明の半導体薄膜の製造方法および製造装置により、溶融され再結晶化される前の状態、すなわち、未だ処理がされていない半導体薄膜のことを意味する。図６は、本発明において使用することができる基板複合体５の好ましい一例を模式的に示す図である。図６において、基板複合体５は、絶縁性基板７上に、前駆体半導体層６が形成され、これらの間には、バッファ層８が形成されている。基板複合体５において、前駆体半導体薄膜６は、たとえば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって絶縁性基板７上に形成される。
【０１０３】
絶縁性基板７としては、ガラスや石英などを含む材質にて形成された公知の基板を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板を容易に製造できる点で、ガラス製の絶縁性基板を用いることが望ましい。絶縁性基板の厚みは、特に制限されるものではないが、０．５〜１．２ｍｍであるのが好ましい。絶縁性基板の厚みが０．５ｍｍ未満であると、絶縁性基板が割れやすく、また高平坦性の基板を製造することが困難となるという傾向にあるためであり、また、１．２ｍｍを超えると、表示素子を形成した際に厚すぎたり、重すぎたりする傾向にあるためである。
【０１０４】
また、基板複合体５において、前駆体半導体薄膜６は、図６に示されるように、絶縁性基板７上にバッファ層８を介して形成されてなるのが好ましい。バッファ層８を形成することにより、主としてレーザ光による溶融、再結晶化の際に、溶融した前駆体半導体薄膜６の熱影響がガラス基板である絶縁性基板に及ばないようにすることができ、さらにガラス基板である絶縁性基板７から前駆体半導体薄膜６への不純物拡散を防止することができるからである。バッファ層８は、当分野で従来より用いられている酸化シリコン、窒化シリコンなどの材料にてたとえばＣＶＤ法などにて形成することができ、特に制限されるものではない。中でもガラス基板と同一成分であり、各種物性がほぼ等しいことから、酸化シリコンにてバッファ層８を形成するのが好ましい。なおバッファ層８の厚みは、特に制限されるものではないが、１００〜５００ｎｍであるのが好ましい。バッファ層が薄すぎると、不純物拡散防止効果が不十分である虞があるためであり、また、バッファ層が厚すぎると、成膜に時間がかかり過ぎる傾向にあるためである。
【０１０５】
基板複合体５において、前駆体半導体薄膜６としては、非晶質半導体あるいは結晶性半導体であれば特に限定されず、任意の半導体材料を用いることができる。前駆体半導体薄膜６の材質の具体例としては、従来より液晶表示素子の製造工程において用いられていて、製造が容易であるという理由から、水和したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をはじめとするアモルファスシリコンを含む材質が好ましいが、この材質はアモルファスシリコンを含む材質に限られるものではなく、多少結晶性に劣る多結晶シリコンを含む材質であってもよく、微結晶シリコンを含む材質であってもよい。また、前駆体半導体薄膜の材質は、シリコンのみからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することにより前駆体半導体薄膜の禁制帯幅を任意に制御することができる。
【０１０６】
前駆体半導体薄膜６の厚さは、特に制限されるものではないが、３０〜２００ｎｍの範囲が好適である。前駆体半導体薄膜が薄すぎると、均一の厚みでの成膜が困難となる傾向にあるためであり、また、前駆体半導体薄膜が厚すぎると、成膜に時間がかかりすぎる傾向にあるためである。
【０１０７】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【０１０８】
（実施例１）
図７に示した構成の半導体薄膜製造装置を用い、本発明の半導体薄膜の製造方法を用いて、半導体薄膜を製造した。まず、基準レーザ光として、基板面上におけるサイズが５．５ｍｍ×５．５ｍｍとなるように方形状に整形された第二のレーザ光を、基板複合体上に斜入射させるように照射し、第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じ、基板面上におけるサイズが４０μｍ×５００μｍとなるように方形状に整形された第一のレーザ光を垂直方向から入射させるように照射した。
【０１０９】
第一のレーザ光としては、パルス状のエネルギを有する波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用い、また第二のレーザ光としては、パルス状のエネルギを有する波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザを用いた。また、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ２、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ２、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした。
【０１１０】
第二のレーザ光の反射前および反射後のパワー密度の比は、光センサ（ＰＤ−１０．６  Ｓｅｒｉｅｓ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ＣＯ２Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ（製品名）、Ｖｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍ社製、感光部形成材料：ＨｄＣｄＺｎＴｅ、立ち上がり時間：約１ｎｓｅｃ以下）と信号処理回路を用い、その反射前のパワー密度を示す電圧値に対する反射後のパワー密度を示す電圧値の変化により検知されるようにした。光センサおよび信号処理回路からなる検知手段による検知結果は、電圧値として制御手段に出力されるように構成した。かかる光センサの検知結果の出力に基づき、制御手段により、第一のレーザ光の照射のタイミングを制御するようにした。
【０１１１】
（実施例２）
第一のレーザ光を照射する直前の前記光センサの検知結果に応じて第一のレーザ光の照射エネルギの設定を変更することができるように構成された制御手段を備える以外は、実施例１で用いたのと同様の半導体薄膜製造装置を用いて、半導体薄膜を製造した。
【０１１２】
まず、図１に示すように、基板複合体上に基準レーザ光としての第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後（第二のレーザ光のパワー密度を６２．３ＭＷ／ｍ２とした場合、第二のレーザ光の照射開始時から１２０μsec後）に第一のレーザ光を照射した。この際、第一のレーザ光の照射エネルギは第一のレーザ光を照射する直前の光センサ２２の検出結果に応じて設定するようにして、パワー密度を制御した。たとえば、第二のレーザ光のパルス幅が１３０μｓｅｃの場合、反射光のパワー密度より換算される反射前のパワー密度が６２．３ＭＷ／ｍ２より小さい場合は、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ２より大きくした。
【０１１３】
（実施例３）
第一のレーザ光が照射される直前の反射光のパワー密度変化と第一のレーザ光照射によりシリコンが溶融したことを検知することができる光センサ、および、第一のレーザ光を照射する直前の前記光センサの検知結果に応じて第二のレーザ光のパワー密度を制御することができるように構成された制御手段を備える以外は、実施例１で用いたのと同様の半導体薄膜製造装置を用いて、半導体薄膜を製造した。
【０１１４】
まず、図５に示すように、基板複合体上に基準レーザ光としての第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後（第二のレーザ光のパワー密度を６２．３ＭＷ／ｍ２とした場合、第二のレーザ光の照射開始時から１２０μsec後）に第一のレーザ光を照射した。この際、第一のレーザ光により前駆体半導体薄膜を溶融させた後に、第二のレーザ光のパワー密度を変調させた。
【０１１５】
（比較例１）
検知手段、制御手段を備えない以外は、実施例１で用いたのと同様の従来の半導体薄膜製造装置を用い、半導体薄膜を製造した。
【０１１６】
まず、基板複合体上に第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後（第二のレーザ光の照射開始時から１２０μsec後）に第一のレーザ光を照射した。第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ２、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ２、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした。
【０１１７】
表１に、上述した実施例１〜３および比較例１によって得られた半導体薄膜のラテラル成長距離を示す。表１に示すように、本発明の製造方法により、飛躍的に結晶長を安定して得ることが可能となった。
【０１１８】
【表１】
2006005148.tif 000003
【０１１９】
従来の半導体装置の製造方法により、結晶化部を活性層とする半導体デバイスを作製した場合、照射ごとに結晶長が異なることに基づき、その特性、特に移動度が照射ごとに異なるという問題が発生していた。これは、形成された結晶長が所望の結晶長以下であると、チャネル部の電子移動方向に対して結晶粒界が存在することがあるためである。また、スーパーラテラル成長法においては、形成される結晶長が送りピッチ以下になると１回前の照射により形成された結晶を引き継ぐことができなくなるため、送りピッチは形成される最短の結晶長に基づいて決めるものである。したがって、表１の比較例では、最短の結晶長である１２μｍに基づいて送りピッチを決定する必要があったが、本発明の方法では、最短の結晶長である１７μｍに基づいて送りピッチを決定すればよく、従来例と比較してより長い送りピッチとすることができ、少ない照射回数でより長い結晶を得ることができる。
【０１２０】
本発明は針状の結晶を横方向に成長させるラテラル成長法だけでなく、従来の縦方向に成長させる結晶化方法に適用しても良い。その場合は、結晶粒径の大きい結晶を安定して形成することができる。
【０１２１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】第一のレーザ光および第二のレーザ光についての時間とパワー密度との関係を、グラフを用いて表す図である。
【図２】第一のレーザ光のエネルギフルエンスと結晶長との関係を、グラフを用いて表す図である。
【図３】第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板での反射前の照射波形と反射後の照射波形とを、グラフを用いて表す図である。
【図４】第二のレーザ光の照射時間とパワー密度の比との関係を、グラフを用いて表す図である。
【図５】第一のレーザ光および第二のレーザ光について時間とパワー密度との関係を、グラフを用いて表す図である。
【図６】基板複合体の概略断面図である。
【図７】本発明の半導体装置の一例を表す模式図である。
【図８】スーパーラテラル成長法による結晶成長された結晶の模式図である。
【図９】本発明における信号処理回路の動作を示す図である。
【図１０】本発明における第一の方法での制御手段２３の動作を説明するための図である。
【図１１】本発明における第二の方法での制御手段２３の動作を説明するための図である。
【図１２】本発明における第三の方法での制御手段２３の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１，３  第一のレーザ光の照射波形、２，４  第二のレーザ光の照射波形、５  基板複合体、６  前駆体半導体薄膜、７  ガラス基板、８  バッファ層、１０  半導体薄膜製造装置、１１  第一のレーザ発振器、１２  第二のレーザ発振器、１３，１４  アッテネータ、１５，１６  均一照射光学系、１７，１８  マスク、１９  ステージ、２０  結像レンズ、２１  ミラー、２２  検知器、２３  制御手段、２４  結像レンズ、２５  ビームスプリッタ、２６  検知器、２７  信号処理回路、３１  第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射前の照射波形、３２  第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射後の照射波形、４１  第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射前のパワー密度を表す信号、４２  第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射後のパワー密度を表す信号、４３  第二のレーザ光の半導体薄膜基板での反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度の比を表す信号、４４  第一のレーザ光の照射を制御する信号、４５  第一のレーザ光のパワー密度と照射を制御する信号、４６  第二のレーザ光のパワー密度と照射を制御する信号、５１  主に割算回路より構成される回路、５２  主にコンパレータより構成される回路、５３  主にサンプル／ホールド回路、サンプルパルスを生成することができる回路、反転増幅回路より構成される回路、５４  主にサンプル／ホールド回路、サンプルパルスを生成することができる回路、反転増幅回路より構成される回路。
【図１】
2006005148.tif 000004
【図２】
2006005148.tif 000005
【図３】
2006005148.tif 000006
【図４】
2006005148.tif 000007
【図５】
2006005148.tif 000008
【図６】
2006005148.tif 000009
【図７】
2006005148.tif 000010
【図８】
2006005148.tif 000011
【図９】
2006005148.tif 000012
【図１０】
2006005148.tif 000013
【図１１】
2006005148.tif 000014
【図１２】
2006005148.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月13日(2005.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法であって、
予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記少なくとも二種類のレーザ光は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記基準レーザ光が第二のレーザ光であり、該第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記反射率が所定の値に達した後に前記第一のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項４に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記反射率の所定の値は所望の結晶長さと第一のレーザ光のパワー密度により定まることを特徴とする、請求項５に記載の半導体膜膜の製造方法。
【請求項７】
前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御することを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記第一のレーザ光のパワー密度は、第一のレーザ光を照射する直前の反射率と所望する結晶長さとの関係から定められることを特徴とする、請求項７に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御することを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記第二のレーザ光のパワー密度は、所望する結晶長さと第二のレーザ光を照射する直前の反射率の値との関係から定められることを特徴とする、請求項９に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
前記第一のレーザ光が紫外域または可視域の波長を有し、前記第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有することを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記第二のレーザ光が９〜１１μｍの範囲内の波長を有することを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１３】
再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１４】
少なくとも二種類のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて、前記少なくとも二種類のレーザ光の照射のタイミングまたはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える半導体薄膜製造装置。
【請求項１５】
前記二つ以上のレーザ光源は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源とを含み、
検知手段が、基準レーザ光が第二のレーザ光である場合に、該第二のレーザ光が照射された部位の反射率の変化を検知可能であり、
制御手段が、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射した部位の反射率の変化に応じて第一のレーザ光または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能であることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１６】
検知手段が、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化を検知可能であることを特徴とする、請求項１５に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１７】
検知手段が、光センサと光センサからの信号を処理できる信号処理回路とから構成され、
前記光センサは前駆体半導体薄膜基板における反射前の前記第二のレーザ光と反射後の前記第二のレーザ光とを検知できるように配置されており、
前記信号処理回路は前記光センサから送信される反射前の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号と反射後の第二のレーザ光のパワー密度を示す信号とを処理して、反射率を示す信号を生成することができる、請求項１６に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１８】
前記第一のレーザ光源は紫外域の波長を有する第一のレーザ光を照射し、前記第二のレーザ光源は可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項１５に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１９】
前記第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光は９〜１１μｍの波長を有することを特徴とする、請求項１５に記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項２０】
再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体薄膜製造装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
アモルファス半導体薄膜を再結晶化して多結晶半導体薄膜とし、当該多結晶半導体薄膜にトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、アモルファス半導体薄膜に直接トランジスタを形成したアモルファス薄膜トランジスタと比較して電荷移動度が大きいため高速動作が期待でき、液晶デバイスの駆動系のみならずガラス基板上での大規模集積回路を実現できる可能性を有している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
しかしながら前記スーパーラテラル成長法においては、１パルスのレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度である。図８に示すように、結晶長の２倍以上の領域を溶融させた場合は、溶融領域の中央部に微細な結晶が形成される（図８（ｂ））。この微細な結晶は、ラテラル成長した結晶ではなく、基板方向への熱の流出に支配されて、基板の垂直方向に成長したものとなる。そのため、溶融領域を拡大することにより、結晶長が飛躍的に長い針状結晶を得ることはできない。したがって、スーパーラテラル成長法では、０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチでパルスレーザ照射を繰り返し行い、既に成長した結晶を引き継いで、長い針状の結晶粒が得ている。このため、表示装置などに用いる基板の全面にわたって結晶化するには極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題が指摘されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
好ましくは、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光を照射する。
好ましくは、半導体薄膜の製造方法は、反射率が所定の値に達した後に前記第一のレーザ光を照射する。
好ましくは、反射率の所定の値は所望の結晶長さと第一のレーザ光のパワー密度により定まる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
好ましくは、前駆体半導体薄膜基板において、照射された第二のレーザ光の、反射前のパワー密度に対する反射後のパワー密度より求められる反射率の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御する。
好ましくは、第一のレーザ光のパワー密度は、第一のレーザ光を照射する直前の反射率と所望する結晶長さとの関係から定められる。
好ましくは、第二のレーザ光のパワー密度は、所望する結晶長さと第二のレーザ光を照射する直前の反射率の値との関係から定められる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
本発明によれば、照射ごとに形成される結晶の長さが揃うので、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造する方法、およびそのための製造装置を提供することができる。このような本発明の製造方法、製造装置によって、従来と比較して性能が大幅に向上された薄膜トランジスタを安定して製造することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、スーパーラテラル成長法における送りピッチを飛躍的に長くすることができるため、結晶化処理時間の飛躍的な短縮も可能となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
上述した基準レーザ光としての第二のレーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の温度変化は、前記第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板での反射率の変化より検知することができる。一般に、半導体材料や金属材料は、各波長の光に対して所定の反射率を有している。これは反射率が各材料の各波長における屈折率に依存するためである。さらに、屈折率は材料の温度に対して依存性を有している。そのため、反射率は温度依存性を有する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
かかる第一の方法においては、第一のレーザ光、第二のレーザ光のエネルギフルエンスは、固定値とする。この場合、第一のレーザ光のエネルギフルエンスは、１５００〜３５００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのが好ましく、２５００〜３０００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのがより好ましい。第一のレーザ光のエネルギフルエンスが１５００Ｊ／ｍ２未満であると、結晶長の長い結晶粒を形成することができず、また第一のレーザ光のエネルギフルエンスが３５００Ｊ／ｍ２を超えると、Ｓｉ薄膜のアブレーションが発生し易くなるという傾向にあるためである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
また、第二のレーザ光のパルス幅が１３０μｓｅｃの場合、第二のレーザ光のエネルギ
フルエンスは、７５００〜１００００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのが好ましく、８０００〜９０００Ｊ／ｍ２の範囲から選ばれるのがより好ましい。第二のレーザ光のエネルギフルエンスが７５００Ｊ／ｍ２未満であると、結晶長の長い結晶粒を形成することができず、また第二のレーザ光のエネルギフルエンスが１００００Ｊ／ｍ２を超えると、Ｓｉ薄膜のアブレーションが発生し易くなる、半導体薄膜基板が第二のレーザ光により変形および／または破損するという傾向にあるためである。