(57)【要約】【課題】粒径均一性に優れた大粒径の多結晶シリコンを得るためのレーザ光の照射処理を高速に行うことが可能なレーザ処理方法、およびこの処理方法に用いるレーザ照射装置を提供する。【解決手段】第１の周期ΔＴでパルス発振されるレーザ光Ｈを、第１の周期ΔＴ毎にさらに第２の周期Δｔに分割して発振させる。このレーザ光Ｈの照射領域ａが、処理を行う基板表面において略均一となるように、基板表面を略等速度ｖで移動させながら、基板表面に対してレーザ光Ｈを照射する。基板表面には、発振させたレーザ光を複数の光束に分割して互いに干渉させることによって発生させた周期的な光パターンＨｐを照射する。また、基板表面は、光パターンの周期方向に略等速度で移動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射によって基板表面を処理するレーザ処理方法であって、
第１の周期でパルス発振されるレーザ光を、当該第１の周期毎にさらに第２の周期に分割して発振させ、
前記第１の周期と第２の周期とでパルス発振された前記レーザ光の照射領域が、処理を行う基板表面において略均一となるように、当該基板表面を略等速度で移動させながら、当該基板表面に対して当該レーザ光を照射する
ことを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ処理方法において、
前記発振させたレーザ光を前記基板表面に照射する前に、当該発振させたレーザ光からなる周期的な光パターンを形成し、
処理を行う基板表面に対する前記レーザ光の照射領域が前記光パターンの周期方向に略均一になるように、当該基板表面を当該光パターンの周期方向に略等速度で移動させながら、当該基板表面に対して当該光パターンを照射する
ことを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項３】
請求項２記載のレーザ処理方法において、
前記光パターンの形成は、前記レーザ光を複数の光束に分割して互いに干渉させることによって行われる
ことを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項４】
請求項１記載のレーザ処理方法において、
前記基板表面の移動速度は、前記レーザ光の照射領域が連続するように設定されている
ことを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項５】
請求項１記載のレーザ処理方法において、
前記基板表面は半導体薄膜で構成され、
前記レーザ光の照射により当該半導体薄膜を部分的に融解させて再結晶化させることにより、前記基板表面の移動方向に連続した結晶化領域を形成する
ことを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項６】
請求項１記載のレーザ処理方法において、
前記レーザ光として、レーザダイオード励起によってパルス発振されたレーザ光を用いる
ことを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項７】
第１の周期でパルス発振されるレーザ光を、当該第１の周期毎にさらに第２の周期に分割して発振するレーザ光発生手段と、
前記レーザ光発生手段から発生させたレーザ光からなる周期的な光パターンを形成する光パターン形成手段と、
前記光パターン形成手段で形成された光パターンを照射して表面処理を行う基板を、前記光パターンの周期方向に所定速度で移動させることが可能なステージとを備えた
ことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項８】
請求項７記載のレーザ照射装置において、
前記光パターン形成手段は、
レーザ光発生手段から発生させたレーザ光を複数の光束に分割する分割手段と、
前記分割手段で分割された複数の光束を干渉させて周期的な光パターンを形成する光干渉手段とを有する
ことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項９】
請求項７記載のレーザ照射装置において、
前記レーザ光発生手段は、レーザダイオード励起によるパルス発振レーザである
ことを特徴とするレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ処理方法およびレーザ照射装置に関し、特には半導体薄膜の結晶化として好適に行われるレーザ処理方法と、この処理方法に用いられるレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置のようなフラット型表示装置のスイッチング素子には、多結晶シリコンを活性層に用いた薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、略してＴＦＴ）、いわゆる多結晶シリコンＴＦＴが広く用いられている。近年、多結晶シリコンＴＦＴを、６００℃以下の低温プロセスで作製する技術（いわゆる低温ポリシリコンプロセス）が開発され、実用化されている。低温ポリシリコンプロセスとは、基板上に成膜したシリコン層（非晶質シリコン層）に対して、レーザ光あるいは電子ビームを照射することで、基板にダメージを与えることなくシリコンを急激に加熱して溶融状態とし、その後の冷却過程でシリコンを結晶化させることで多結晶シリコン層を得る方法である。このような低温ポリシリコンプロセスをフラット型表示装置の製造に適用することにより、表示基板として石英、単結晶シリコンなどの高耐熱性だが高価な基板を用いる必要がなくなるため、高精細なフラット型表示装置の低コスト化及び大型化が可能となる。
【０００３】
ところで、このような低温ポリシリコンプロセスにおいて、より大きな粒径の多結晶シリコン層を得るためには、シリコン層に対するレーザ光や電子ビームの照射法が重要となる。そこで、広域にわたり均一で、かつ粒界がスキャン方向にほぼ平行な、細長い多結晶シリコン薄膜を得ることが可能な方法として、Sequential Lateral Solidification法（逐次横方向固化法、以下ＳＬＳ法）が提案されている。
【０００４】
図１１には、このＳＬＳ法による半導体薄膜処理の概要を示す。この図に示す方法は、先ず、レーザ光発生手段１から発振されたレーザ光Ｈを、レンズや反射ミラーなどの光学手段２〜５を用いて、周期的な明暗のパターンが描かれたマスク６に入射させ、このマスク６を通過させることでレーザ光Ｈを周期的な明暗のパターンとする。そして、このレーザ光Ｈを、結像レンズ７および反射ミラー８に順次入射させ、ステージ９上に載置した基板Ｓ表面のシリコン層に照射する。これによってシリコン層を数μｍ幅で完全融解し、冷却時に融解領域の外周部から内部に向かって横方向（ラテラル）に結晶を成長させ、ストライプ状の横方向成長領域を得る。次にマスク６または基板Ｓが載置されているステージ９を機械的に融解領域の幅以下の距離、典型的には０．７５μｍ程度移動させた後、同様に横方向成長させる。このようなレーザ照射とステージの移動を２００μｍの距離にわたって繰り返すことにより、広域にわたり均一で、かつスキャン方向にほぼ平行な粒界を持つ、細長い多結晶シリコン薄膜を得ることが可能であると報告されている（下記非特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、このＳＬＳ法と同様に横方向成長を基にした例として、上述した周期的な明暗のパターンをレーザ光の干渉による干渉縞として形成する方法が提示されている。この方法においては、レーザ光の光路上に配置された鏡や階段状透明板を機械的手法によって移動することにより、干渉縞の位置を変化させ、シリコン層の融解位置を変位させている（下記特許文献１参照）。
【０００６】
また、レーザ光の干渉による干渉縞を、電気光学的な手法によって移動させることにより、レーザ光のパターンの光学的な移動（シリコン層の融解位置の変位）を高周波で行い、処理速度の高速化を図る方法が提案されている（下記特許文献２参照）。
【０００７】
【非特許文献１】Applied Physics Letters誌、第６９巻、2,864〜2,866ページ (1996年)
【特許文献１】特開２０００−１５０４１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に示されたＳＬＳ法では、レーザビームＨの発振周期に合わせて基板Ｓが載置されているステージ９を機械的に移動させる必要がある。このため、基板の移動がステップ・アンド・リピート方式となり、静止状態での基板の揺れが治まるまでの待機時間が必要になる等、処理速度の高速化が困難となる。
【０００９】
これは、特許文献１および特許文献２に示されたレーザ光の干渉を利用する方法でも同様である。すなわち、これらの方法では、レーザ光の発振周期に合わせて干渉縞の位置を移動させる際には基板を静止状態に保ち、さらにこのようなレーザ光の照射によってレーザ光の照射領域が連続した時点では、基板の移動によってレーザ光の照射領域を移動させる必要がある。このため、上述したＳＬＳ法と同様に、基板の移動がステップ・アンド・リピート方式となるため、処理速度の高速化が困難となるのである。
【００１０】
そこで本発明は、粒径均一性に優れた大粒径の多結晶シリコンを得るためのレーザ光の照射処理を高速に行うことが可能なレーザ処理方法を提供すること、およびこのようなレーザ処理方法に好適に用いることが可能なレーザ照射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】
【００１１】
このような目的を達成するための本発明は、レーザ光の照射によって基板表面を処理するレーザ処理方法であり、図１を用いて説明するように行う。先ず、第１の周期ΔＴでパルス発振されるレーザ光Ｈを、第１の周期ΔＴ毎にさらに第２の周期Δｔに分割して発振させる。そして、第１の周期ΔＴと第２の周期Δｔとでパルス発振されたレーザ光Ｈの照射領域ａが、処理を行う基板表面において略均一となるように、基板表面を略等速度ｖで移動させながら、基板表面に対してレーザ光Ｈを照射する。
【００１２】
特に、発振させたレーザ光Ｈを基板表面に照射する前に、発振させたレーザ光Ｈからなる周期的な光パターンＨｐを形成し、この光パターンＨｐを基板表面に照射する方法に好適である。この場合、処理を行う基板表面に対するレーザ光Ｈの照射領域ａが光パターンＨｐの周期方向に連続するように、当該基板表面を光パターンＨｐの周期方向に略等速度ｖで移動させながら、基板表面に対して光パターンＨｐ（レーザ光Ｈ）を第１の周期ΔＴと第２の周期Δｔとで照射することとする。また、基板表面の移動速度（略等速度ｖ）は、レーザ光Ｈの照射領域ａが連続するように設定されていることとする。
【００１３】
このようなレーザ照射方法では、第１の周期ΔＴ毎に第２の周期Δｔに分割して発振するレーザ光Ｈを用い、適宜調整された略等速度ｖで基板を移動させることで、基板表面に対するレーザ光Ｈの照射領域ａを略均一にしている。このため、基板表面の端部間にわたって基板をステップ・アンド・リピートさせる必要はなく、すなわちステップ・アンド・リピートの動きによる基板の振動を考慮することなく、所定の照射位置に対して安定的にレーザ光を照射しつつ、基板表面に対するレーザ光Ｈの照射領域ａを略均一にした処理が行われる。
【００１４】
また本発明は、上述したレーザ照射方法を行うために好適に用いられるレーザ照射装置であり、レーザ光発生手段、光パターン形成手段、およびステージを備えている。このうち、レーザ光照射手段は、第１の周期でパルス発振されるレーザ光を、当該第１の周期毎にさらに第２の周期に分割して発振する。また光パターン形成手段は、レーザ光発生手段から発生させたレーザ光からなる周期的な光パターンを形成する。またステージは、光パターン形成手段で形成された光パターンが照射される基板を、光パターンの周期方向に所定速度で移動させることが可能な構成となっている。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明のレーザ照射方法によれば、第１の周期毎に第２の周期に分割して発振するレーザ光を用いて、基板表面を略等速度で移動させる構成としたことにより、基板の振動を最小限に抑えて、所定の照射位置に対して安定的にレーザ光を照射した処理を行うことが可能となる。したがって、ステップ・アンド・リピート方式の基板移動においては、静止状態での基板の揺れが治まるまでの待機時間が必要であったが、このような待機時間が必要なくなり、処理速度の高速化を達成することが可能になる。
【００１６】
また以上のように待機時間が必要なくなったことにより、高周波数でパルス発振されるレーザ光に同期させて、基板に対してレーザ光を照射することが可能になるため、例えばレーザダイオード励起のパルス発振固体レーザのように、励起光源（レーザダイオード）の寿命が長いが、定格出力発振時の繰り返し周波数が高いレーザ光発生手段を用いることが可能になる。この結果、長期間の連続稼働が可能で、かつ信頼性が高いレーザ照射装置を構築することも可能になる。
【００１７】
さらに、基板側を等速度で移動させれば良いため、レーザ光側を移動させるための手段をレーザ光の光学系に設ける必要がなくなるため、レーザ照射装置の簡略化を図ることが可能である。
【００１８】
また本発明のレーザ照射装置によれば、以上のように基板を等速度で移動させた状態でのレーザ照射方法を達成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、レーザ処理方法、およびレーザ照射装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。まずここでは、実施形態のレーザ処理方法に好適に用いられるレーザ照射装置の構成を説明する。
【００２０】
＜レーザ照射装置＞
図２は、本発明のレーザ照射装置の一例を示す構成図である。この図に示すレーザ照射装置は、例えば半導体薄膜を結晶化させるための処理に用いられるものであることとする。
【００２１】
この図に示すレーザ照射装置は、１周期に複数発のパルス発振が可能なレーザダイオード励起のレーザ光発生手段１０１を備えている。図３には、このようなレーザ光発生手段１０１から照射されるレーザ光の発振周期を示す。図３に示すように、レーザ光発生手段１０１からは、第１の周期ΔＴでパルス発振されるレーザ光が、当該第１の周期毎にさらに第２の周期Δｔに分割して発振される。
【００２２】
このようなレーザ光発生手段１０１として、例えば１周期（第１の周期ΔＴ）内に４発のパルス発振が可能なレーザダイオード励起のＹＬＦ（ＬｉＹＦ4）レーザが、パルス発生器と共に用いられる。このレーザ光発生手段１０１は、レーザ光Ｈの繰り返しパルス発振周波数が０．５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度であり、第１の周期ΔＴがこの範囲（１００μｓ〜２ｍｓ）で任意に設定可能である。また第２の周期Δｔは、１μｓ〜１５０μｓの範囲で任意に設定可能である。
【００２３】
尚、上述のように、第１の周期ΔＴ毎に第２の周期Δｔに分割された複数発のパルス発光が可能なレーザーとしては、いわゆるダブルパルス発振が可能な固体レーザーの他、同期した２台以上のパルス発生器から２台以上のレーザーに対し電気的にトリガーをかけて所定の時間間隔で発光させ、その出射光を、偏光プリズム等を利用して光学的に合成してもよい。あるいはこれら２つの方法を適時組み合わせても良い。ダブルパルス発振が可能なレーザーとしては例えば米国・Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、型式Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ−ＤＰＯを挙げることができる。
【００２４】
また、レーザ光発生手段１０１から発振されるレーザ光Ｈの基本波（波長１０５３ｎｍ）は、レーザー共振器内に配置されたＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）結晶などからなる第２高調波変換結晶により、一部が波長λ＝５２７ｎｍの第２高調波に変換され、波長選択素子を通過することで、第２高調波出力のみが出射される。これにより、波長変換後のレーザ光Ｈは、例えばパルス幅が約１２０ｎｓ、第２の周期Δｔに分割された（４分割された）１パルスあたりのエネルギーが５ｍＪ（１ｋＨｚ発振時）であり、その出力は５ｍＪ×４回×１ｋＨｚ＝２０Ｗとなる。
【００２５】
尚、レーザ光発生手段１０１としては、照射領域内で均一な光強度プロファイルが得られるようトップハット型のビームプロファイルを有するＹＬＦレーザを用いることが好ましい。
【００２６】
そして、レーザ光発生手段１０１から出射されたレーザ光Ｈの出射方向には、透過率可変の光減衰器（アッテネータ）１０２、集光レンズ１０３、レーザ光を分割する分割手段としてのビームスプリッタ１０４が順に配置されている。このビームスプリッタ１０４は、レーザ光Ｈを強度比で約１：１の２光束に分割し、分割された第１の光束ｈ１を反射させる一方、分割された第２の光束ｈ２を透過させる。
【００２７】
また、第２の光束ｈ２の光路上には、反射ミラー１０６が配置されている。この反射ミラー１０６は、ビームスプリッタ１０４で反射された第１の光束ｈ１に対して、ビームスプリッタ１０４を透過した第２の光束ｈ２が所定角度で交わるように当該第２の光束ｈ２を反射し、これにより第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを重ね合わせて干渉させて周期的な光パターンＨｐ（ここでは干渉縞）を発生させる光干渉手段として配置されている。
【００２８】
ここで、第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とが交わる際の所定角度θは、次のように設定される。すなわち、波長λのレーザ光束２本が挟角θ（ラジアン）で基板面に入射する際に生成される干渉縞の周期をＰとすると、Ｐ＝λ/｛２sin（θ／２）｝となる。
【００２９】
この式から、レーザ光Ｈの波長λ＝５２７ｎｍの場合において、周期５．０μｍの干渉縞を基板Ｓ表面に照射したい場合には、θ＝６．０４°となる。そこで、反射ミラー１０６は、ビームスプリッタ１０４で反射された第１の光束ｈ１に対して、第２の光束ｈ２が狭角θ＝６．０４°で交わるべく、当該第２の光束ｈ２を反射させるように設定されることとする。
【００３０】
また、この反射ミラー１０６の反射方向、およびビームスプリッタ１０４の反射方向には、処理を行う基板Ｓを載置するためのステージ１００が配置されている。そして、このステージ１００上に載置された基板Ｓの表面に、第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを重ね合わせて干渉させることによる周期的な光パターン（ここでは干渉縞）Ｈｐが照射されるように設定されている。
【００３１】
本実施形態においては、このステージ１００が、一方向（例えばｘ方向）に略等速度で移動し、またこれと垂直な方向（ｙ方向）にステップ移動可能な構成となっている。ここで、ｘ方向は、レーザ光の照射光学系から照射される光パターンＨｐの周期方向と一致していることとする。そして、このｘ方向への移動速度ｖは、任意に設定可能となっている。同様に、ｙ方向への１回の移動幅は、任意に設定可能となっている。尚、このステージ１００は、送り時の速度ムラが極力抑えられたものを用いることが望ましく、例えばエアーベアリングなどを用いたリニアモーター駆動のｘｙ移動ステージであることとする。また、必要に応じて、ステージ面を回転可能な構成とする。
【００３２】
そして、このステージ１００の上方における第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２の光路上に、オリフィス１０９が配置されている。このオリフィス１０９は、基板Ｓの表面に対する光パターンＨｐの照射領域の外形を成形するために設けられており、このオリフィス１０９を通過した第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２による光パターンＨｐが基板Ｓに照射されるように構成されている。特にここでは、光強度変動が±２０％の範囲に収まるように照射領域を選択形成することが好ましい。そこで、例えば、レーザ光発生手段１０１として、上述したＣｏｈｅｒｅｎｔ社のＥｖｏｌｕｔｉｏｎ−ＤＰＯシリーズを用いた場合、オリフィス１０９によって、発生されたレーザ光の中央部における０．２５ｍｍ×１．０ｍｍの領域が照射領域として選択される。
【００３３】
尚、以上においては、レーザダイオード励起のＹＬＦレーザを用いた場合を説明した。しかし、レーザ光発生手段１０１としては、フラッシュランプ励起のＱスイッチＹＬＦレーザを用いることも可能である。また、ＹＬＦレーザに代えてＹＡＧレーザを用いることも可能である。
【００３４】
また、光パターンＨｐを発生させる手段（光干渉手段）としては、マイケルソン干渉計やフィゾー干渉計等の干渉計を用いても良い。
【００３５】
以上のような構成のレーザ照射装置においては、レーザ光発生手段１０１で発生させたレーザ光Ｈが、ビームスプリッタ１０４で分割され、かつその一方の第２の光束ｈ２が反射ミラー１０６で反射されて第１の光束ｈ１と干渉し、これによって周期的な光パターン(干渉縞）Ｈｐが形成され、これがステージ１００上の基板Ｓ表面に照射される。このため、技術背景において図１１を用いて説明したようなマスクを用いて形成された同様の光パターンを基板Ｓに照射する場合と比較して、より高いレーザ光利用効率で光パターンＨｐを発生させて基板Ｓに照射することが可能になる。
【００３６】
さらに、このレーザ照射装置を用いた半導体薄膜の結晶化においては、光パターン（干渉縞）Ｈｐの明部、すなわち半導体薄膜が融解される領域において、中央部の方が、暗部との境界領域よりもより光強度が高くなるため、暗部との境界領域から融解領域中央に向かうラテラル成長を誘起するのに都合が良いという利点も得られる。尚、半導体薄膜における結晶粒のラテラル成長については、以降の半導体薄膜の処理方法において詳しく述べる。
【００３７】
またこのレーザ照射装置では、干渉によって生成した光パターンＨｐの周期方向（ｘ方向）に略等速の移動速度ｖで移動するステージ１００を備えている。このため、ステージ１００の移動により、光パターンＨｐの照射位置が、その周期方向に移動速度ｖで移動する構成となっている。このような構成において、さらにレーザ光照射手段１０１は、図３を用いて説明したように、第１の周期ΔＴ毎に第２の周期Δｔに分割してレーザ光Ｈをパルス発振する。
【００３８】
したがって、レーザ光Ｈ（すなわちレーザ光Ｈを干渉させた光パターンＨｐ）の照射位置は、レーザ光Ｈの第１の周期ΔＴ毎に、ステージ１００のｘ方向への移動速度ｖと第１の周期ΔＴに応じた距離ｖ×ΔＴで移動し、さらにこの第１の周期ΔＴで移動した位置において、移動速度ｖと第２の周期Δｔに応じた距離ｖ×Δｔで第２の周期の発振回数ｎ回だけ移動する。つまり、光パターンＨｐの照射位置を、距離ｖ×ΔＴ毎に、距離ｖ×Δｔをｎ回だけ移動させるようなレーザ照射が行われることになる。
【００３９】
例えば、レーザ光（Ｈ）のパルス発振の周期が、第１の周期ΔＴ＝約１ｍｓｅｃ、第２の周期Δｔ＝４．４μｓでｎ＝４回であり、ステージ１００の移動速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｓに設定した場合を想定する。この場合、ステージ１００上の基板表面に対して、光パターンＨｐの照射位置を、ｖ×ΔＴ＝０．２５ｍｍずつ移動させ、この移動させた位置において、さらにｖ×Δｔ＝１．１μｍずつｎ＝４回だけ微少移動させたレーザ照射が行われる。
【００４０】
尚、照射位置の移動距離の精度は、ステージ１００の移動速度ｖのムラと、レーザ光Ｈの発振周期ΔＴ，Δｔの精度によって決まる。前者は概ね±１％程度、後者は電気的なパルス発生器の同期精度とレーザー発光の間に生ずるタイミング・ジッターであるが、両者を合わせても典型的には５０ｎｓｅｃ以下にまで低減することが可能である。したがって、光パターンＨｐの周期が５μｍ程度であるとすると、上述した光パターンＨｐの照射位置の移動は、光パターンＨｐの周期ｄ（＝５μｍ）よりも十分に短い高精度の範囲で行うことが可能である。
【００４１】
そして、このようなレーザ照射装置を用いて、次に説明するようなレーザ処理を行うことが可能である。
【００４２】
＜レーザ処理方法＞
図１は、図２および図３を用いて説明したレーザ照射装置を用いて好適に行われるレーザ処理方法を説明する図である。ここでは、図１に基づき、先の図２，３を参照しつつ、上記レーザ処理装置を用いて基板Ｓの表面にレーザ光を照射するレーザ処理方法の基本的な構成を説明する。
【００４３】
図１において、縦軸は時間を示している。また横軸のうちの１つは、レーザ光Ｈの光強度を示し、もう一方はステージ１００の移動による基板Ｓの移動距離を示している。このうち、レーザ光Ｈは、図３で例示したと同様に、第１の周期ΔＴ毎にさらに第２の周期Δｔにｎ＝４回に分割して発振されることとして示した。また、基板Ｓの移動距離は、等速で移動する基板の移動方向（ｘ）に対する距離であり、その移動方向（ｘ）は上述した光パターンＨｐの周期方向と一致している。尚、この図１には、光パターンＨｐの一例として、周期ｄでピーク数Ｎ＝３の干渉縞のプロファイルを、欄外において光パターンＨｐの照射位置に対応する位置に示した。
【００４４】
そして、本実施形態のレーザ処理方法は、第１の周期ΔＴと第２の周期Δｔとでパルス発振されたレーザ光Ｈで光パターンＨｐを構成し、この光パターンＨｐの基板Ｓ表面に対する照射領域ａが基板Ｓ表面において略均一に連続するように、基板Ｓを略等速の移動速度ｖで移動させることを特徴としている。尚、ここでは、干渉縞からなる光パターンＨｐの照射領域ａは、レーザ光の照射強度がある程度以上の領域であることとする。そしてこの照射領域ａは、基板Ｓの移動方向ｘと垂直な方向（ｙ方向）に長い帯状であることとする。
【００４５】
このような基板Ｓの移動速度ｖは、上述した各値から以下のようにして設定される。
【００４６】
すなわち、移動速度ｖは、第１の周期ΔＴの期間中での基板Ｓの移動距離Ｌから、ｖ＝Ｌ／ΔＴである。また移動距離Ｌは、光パターンＨｐのピーク数Ｎと周期ｄから、Ｌ＝Ｎ×ｄである。したがって、ｖ＝Ｎ×ｄ／ΔＴとなる。また、第２の周期Δｔでｎ回目に照射される光パターンＨｐの照射領域ａは、１回目の照射において基板Ｓの移動方向に隣接する照射領域にまでに達する必要があり、ある程度の重なりが生じても良いことから、ｖ≦ｄ／（Δｔ×ｎ）となる。したがって、基板Ｓの移動速度ｖ＝Ｎ×ｄ／ΔＴ＝ｄ／（Δｔ×ｎ）を満たすように、各値が設定されていることとする。
【００４７】
またさらに、基板Ｓ表面におけるレーザ光Ｈの照射領域ａを連続させるためには、基板Ｓの移動方向ｘに対するレーザ光Ｈの照射領域ａの幅Ｗの最小値Ｗminは、Ｗmin＝ｄ／ｎを満たすように設定される。尚、照射領域ａの幅Ｗは、このようなレーザ処理を行う目的によって適宜設定されることとする。
【００４８】
そして、以上のような略等速の移動速度ｖでの基板Ｓの移動によって、基板Ｓ表面のｘ方向にわたるレーザ光Ｈの略均等な照射が終了した後には、基板Ｓのｘ方向への移動と基板Ｓ表面へのレーザ光Ｈの照射を停止させる。この状態で、基板をｙ方向に所定距離だけ移動させ、次いで−ｘ方向に向かって、上述したと同様の移動速度ｖで基板を移動させながら、基板表面へのレーザ光Ｈの照射を行う。
【００４９】
以上のようなレーザ処理方法によれば、基板Ｓ表面のｘ方向にわたって略均等にレーザ光Ｈを照射する処理を、基板Ｓを略等速の移動速度ｖでｘ方向に移動させて連続的に行う構成としている。したがって、ｘ方向においては、ステップ・アンド・リピートの動きによる基板Ｓの振動を考慮することなく、所定の照射位置に対して安定的にレーザ光を照射しつつ、基板表面に対するレーザ光Ｈの照射領域ａを略均一にした処理が行われる。
【００５０】
この結果、従来のステップ・アンド・リピート方式の基板移動においては、静止状態での基板の揺れが治まるまでの待機時間が必要であったが、このような待機時間が必要なくなり、処理速度の高速化を達成することが可能になる。
【００５１】
また以上のように待機時間が必要なくなったことにより、高周波数でパルス発振されるレーザ光Ｈに同期させて、基板Ｓに対してレーザ光を照射することが可能になる。このため、例えばレーザダイオード励起のパルス発振固体レーザのように、励起光源（レーザダイオード）の寿命が長いが、定格出力発振時の繰り返し周波数が高いレーザ光発生手段を用いることが可能になる。この結果、長期間の連続稼働が可能で、かつ信頼性が高いレーザ照射装置を構築することも可能になる。
【００５２】
さらに、基板側を等速度で移動させれば良いため、レーザ光側を移動させるための手段をレーザ光の光学系に設ける必要がなくなるため、レーザ照射装置の簡略化を図ることが可能である。
【００５３】
尚、上述したようなレーザ処理方法を行うためのレーザ照射装置としては、レーザ光からなる周期的な光パターンを形成する光パターン形成手段と、光パターンの周期方向に所定の等速度で基板を移動可能なステージとを備えていれば良い。そして、光パターンの形成手法としては、図２を用いて説明したような干渉による光パターンの形成に限定されることはなく、例えば図１１に示したＳＬＳ法を応用し、周期的な明暗のパターンが描かれたマスクを用いて光パターンを形成しても良い。ただし、上述したように、レーザ光の干渉によって光パターンを形成した方が、レーザ光の利用効率の向上を図ることができる。
【００５４】
＜半導体薄膜の処理方法−１＞
次に、上述したレーザ処理方法の適用例として、非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）を多結晶化する場合の処理方法を説明する。
【００５５】
先ず、処理を行う基板として、ガラス基板Ｓ１上に、非晶質シリコン薄膜Ｓ２を成膜した基板Ｓを用意する。この非晶質シリコン薄膜Ｓ２は、例えばこの半導体薄膜の処理方法が適用される薄膜トランジスタの構成にならい、図２での図示を省略した窒化シリコン（ＳｉＮx）膜、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を介してガラス基板Ｓ１上に形成されることとする。
【００５６】
これらの膜の成膜は、例えば薄膜トランジスタの製造工程にならい、ガラス基板を収納した真空成膜室内に原料ガスを導入し、周波数１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力を印加した平行平板電極間でグロー放電を起こし混合ガスを分解し堆積させる、いわゆるプラズマＣＶＤ法(chemical vapor deposition法)や、他のＣＶＤ法によって行われることとする。
【００５７】
ここではプラズマＣＶＤによって成膜が行われることとした場合、先ず、真空成膜室内にガラス基板Ｓを収納し、ガラス基板Ｓを加熱（例えば４００℃）しておく。そして、この真空処理室内に、原料ガスとしたシランガス（ＳｉＨ4）とアンモニアガス（ＮＨ3）を圧力１００Ｐａで導入し、ＳｉＮx膜を５０ｎｍの厚みでガラス基板上に堆積成膜する。次いで、原料ガスとしてシランガスと亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）とを導入し、ＳｉＯ2膜を１００ｎｍの厚みでＳｉＮx膜上に堆積成膜する。その後、シランガスのみを圧力１５０Ｐａで導入し、水素化された非晶質シリコン薄膜Ｓ２を厚さ３０〜３００ｎｍ、典型的には５０ｎｍの厚さでＳｉＯ2膜上に堆積成膜させる。尚、非晶質シリコン薄膜Ｓ２中の水素量は原子数比で約０．５〜２％とし、必要に応じて窒素または真空雰囲気中で数時間加熱し、薄膜中の水素濃度を低減する脱水素アニール処理を行う。
【００５８】
以上のようにして形成された非晶質シリコン薄膜Ｓ２を多結晶化する場合、図４の工程図を用いて説明する以下の手順で行う。
【００５９】
先ず、上述した構成のレーザ照射装置の各部を調整することによって、例えば１ｋＨｚの周波数（第１の周期ΔＴ＝約１ｍｓｅｃ）毎に、さらに第２の周期Δｔ＝４．４μｓｅｃに分割したｎ＝４回だけ、レーザ光Ｈをパルス発振させる。そして、このようにパルス発振させたレーザ光Ｈを干渉させ、周期ｄ＝５μｍの干渉縞からなる光パターンＨｐを発生させる。
【００６０】
図５に示すように、平面視的に見た場合に、光パターンＨｐは、基板Ｓの移動方向（すなわち光パターンＨｐの周期方向）を短辺とした帯状の照射領域ａを、この短辺方向に配列した縞状である。この光パターンＨｐは、オリフィス（１０９）によって、外形形状が整形され、非晶質シリコン膜Ｓ２における第１領域Ｌ１＝０．２５３ｍｍ×１．０ｍｍに対して、ピーク数Ｎ＝５１分の縞状にレーザ光が照射される。尚、図４においては光パターンＨｐのピーク数Ｎ＝５１のうちの３つのピークを含む範囲のみを示している。
【００６１】
尚、この光パターンＨｐは、光減衰器（１０２）により、ピーク位置を挟んだ幅３μｍの部分の照射光強度が、８００〜１５００ｍJ／ｃｍ2以上となるように調整されることとする。これにより、図４（ａ）に示すように、この光パターンＨｐが照射された非晶質シリコン薄膜の第１領域Ｌ１部分が、幅３μｍで周期的かつ選択的に融解された融解領域２０１となるようにする。尚、この融解領域２０１が、図１および図２を用いて説明した照射領域ａに相当する。
【００６２】
また、以上のように設定されたレーザ照射装置における照射条件ΔＴ、Δｔ、ｄ，Ｎ，ｎに基づいて、上述のレーザ処理方法において説明した条件を満たすように、光パターンＨｐの周期方向に対する基板Ｓの移動速度ｖを設定する。ここでは、移動速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｓｅｃに設定する。
【００６３】
そして、ステージ（１００）の駆動によって、上述のように設定された移動速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｓｅｃで基板Ｓを移動させ、このように移動させた基板Ｓの表面を構成する非晶質シリコン薄膜Ｓ２に、以上のようにレーザ照射装置における照射条件を設定した状態で、光パターンＨｐを照射する。
【００６４】
以上により、非晶質シリコン薄膜Ｓ２の第１領域Ｌ１における幅３μｍの照射領域ａが、図４（ａ）における第１ショット目の結晶化部分として選択的に融解されて融解領域２０１となる。この際、幅２μｍの非照射領域（すなわち未融解領域ｂ）は、非晶質シリコンの融点よりも低い温度に保たれる。
【００６５】
そして、図４（ａ）に示す第１ショット目の照射終了後の降温時に、図５の照射領域ａ（すなわち融解領域２０１）と未融解領域ｂとの境界部分から融解領域２０１の中央に向かってシリコン多結晶が横方向成長（ラテラル成長）する。この際、融解領域２０１の幅３μｍが、結晶が横方向成長し得る距離の２倍以下である場合、例えば厚さ５０ｎｍのシリコン薄膜では約１〜５μｍの２倍以下である場合には、融解領域２０１の全体に横方向成長領域が形成される。尚、横方向成長し得る距離はレーザのパルス幅やパルス波形に依存し、さらに半導体薄膜の膜厚の増加と基板温度の上昇に伴い増加する。この横方向成長に関しては、後に詳しく説明する。
【００６６】
図６には、非晶質シリコン薄膜Ｓ２に対して図５に示した光パターン（干渉縞）を１回だけ照射した後のシリコン薄膜の各結晶粒４０、４１を、粒界を顕在化させるためのエッチング（Seccoエッチング）した後に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像を、幅３μｍの照射領域ａの一部（図５のａ１部分）を拡大して模式的に示した。なお、図中の各ブロックがそれぞれ各結晶粒４０、４１を示している。
【００６７】
この図６に示すように、幅３μｍの照射領域ａ（融解領域２０１）は、非晶質シリコンが完全融解したことで選択的に多結晶化されているが、未融解領域とのエッジＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’は融解端であるため、レーザパルス終息後の冷却速度が速く、融解領域２０１の中央部に先立って凝固する。そのため、各融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’から幅約０．３μｍの領域ａ２では多数の核が発生し、小粒径の多結晶群（結晶粒４０）が生成される。それらの中で照射領域ａ（融解領域２０１）の中央に向かう成長速度が相対的に速い結晶粒４１が優先的に横方向成長して行き、融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’のそれぞれから成長してきた結晶がぶつかりあったところ、すなわち融解幅方向のほぼ中央の隆起線Ｃ−Ｃ’で結晶成長が完了する。このため、優先的に成長する結晶粒４１は、融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’から隆起線Ｃ−Ｃ’に向って１．２μｍ程度横方向に成長したものとなる。
【００６８】
尚、横方向成長し得る距離はレーザのパルス幅やパルス波形に依存し、さらに半導体薄膜の膜厚の増加と基板温度の上昇に伴い増加するため、プロセス毎に、横方向成長が融解幅方向のほぼ中央Ｃ−Ｃ’にまで十分に到達できるような照射領域ａ（融解領域２０１）の幅Ｗ、すなわち上述した干渉縞の周期とレーザ光強度を設定することが重要となる。
【００６９】
また、以上のような図４（ａ）に示す第１ショットのレーザ光照射の一方で、基板Ｓは、上述のように設定された移動速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｓｅｃで光パターンＨｐの周期方向に連続的に移動している。そして、レーザ光照射手段から発振されるレーザ光の第２の周期Δｔ＝４．４μｓｅｃを経過した時点、すなわちｖ×Δｔ＝１．１μｍの距離だけ基板がｘ方向に移動した時点で、図４（ｂ）に示すように第２ショット目の光パターンＨｐが照射される。
【００７０】
このような第２ショット目の光パターンＨｐの照射により、その照射領域ａは、第２ショット目の結晶化部分として選択的に融解されて融解領域２０２となる。そして、図６を用いて説明した第１ショット目と同様にして、融解領域２０２の端部から結晶化が進行して結晶化領域が拡大される。ただし、第２ショット目の照射領域ａ（すなわち融解領域２０２）は、第１ショット目の照射領域ａ（融解領域２０１であり既に結晶化している領域）に対して、ｘ方向に１．９μｍの重なりを持っている。したがって、第１ショット目の融解領域２０１と重なる方向からの結晶成長は、この融解領域２０１における結晶状態を引き継ぐため結晶粒径が大きいものになる。
【００７１】
以降同様に、略等速の移動速度ｖで連続的に移動している基板Ｓの表面に対して、第２の周期Δｔが経過する毎に、ｎ＝４回の光パターンＨｐの照射が繰り返され、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示す各溶融領域２０１〜２０４に対して４ショット分の結晶成長が行われる。
【００７２】
そして、４ショット目の光パターンＨｐの照射後、第１ショットから第１の周期ΔＴに達するまでの期間には、光パターンＨｐの照射は行われず、この間には略等速の移動速度ｖで基板Ｓが連続的に移動しているのみとなる。
【００７３】
そして、第１ショットから第１の周期ΔＴ＝約１ｍｓｅｃを経過した時点、すなわちｖ×ΔＴ＝０．２５ｍｍの距離だけ基板がｘ方向に移動した時点で、図４（ｅ）に示すように、２サイクル目の第１ショット〜第４ショットまでの光パターンＨｐの照射が繰り返して行われる。この際、２サイクル目の第１ショットの照射領域ａは、１サイクル目の第４ショットの照射領域ａに対して基板Ｓの移動方向に重なりを持つ。その重なりは、同一サイクル内における連続したショット間の重なりと同程度になることとする。
【００７４】
以上に説明した第１ショット〜第４ショットまでの光パターンＨｐの照射の２サイクル目が繰り返し行われ、これによって２サイクル分の連続した結晶部分が形成される。
【００７５】
以降、基板Ｓのｘ方向の端部（または所定位置）に達するまで、上述したレーザ光の照射処理を繰り返し、基板Ｓのｘ方向にわたって連続した結晶領域を形成する。そして、レーザ光Ｈの照射が基板Ｓのｘ方向の端部（または所定位置）に達したところで、基板のｘ方向への移動と基板表面へのレーザ光Ｈの照射を停止させる。この状態で、基板をｙ方向に所定距離だけ（ここでは約１ｍｍ）移動させ、次いで−ｘ方向に向かって、上述したと同様の移動速度ｖ＝２５０ｍ／ｓｅｃで基板を等速で移動させながら、上述したと同様のレーザ光の照射処理を行い、これを繰り返して基板Ｓの全面を結晶化領域とする。
【００７６】
次に、以上説明した半導体薄膜の処理方法における結晶成長のメカニズムを、図７の平面工程図に基づき、図４を参照して説明する。尚、図４（ａ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ’断面に対応し、図４（ｂ）は図７（ｂ）のＡ−Ａ’断面に対応し、…同様に以降それぞれ対応する図面になっている。また、図７には、（ａ）と（ｂ）の中間の図として（ａ’），（ｂ’），…を図示している。
【００７７】
図７は、ｘ方向にｖ＝２５０ｍｍ／ｓで等速運動するステージに載置された基板Ｓ表面の非晶質シリコン薄膜Ｓ１に対して、第２の周期Δｔ＝４．４μｓで、干渉縞からなる光パターン（周期ｄ＝５μｍ）が照射されることにより、光パターンの周期毎に横方向結晶が得られる原理を模式的に説明するもので、４回（４ショット）分の照射を抜書きしたものである。
【００７８】
まず、図７（ａ）は１ショット目のレーザ光を照射した後の横方向成長結晶の様子を、代表的な（横方向成長した）結晶粒４１を抽出して、三角形にて単純化して表現したものである。この図に示すように、１ショット目のレーザ光の照射により、光パターンの周期に対応する間隔で融解領域２０１が形成される。そして、融解領域２０１の端部側から、融解領域２０１の中央に向かって結晶成長した結晶粒４１が形成される。
【００７９】
次に図７（ａ‘）は１ショット目のレーザ光照射からΔｔ＝４．４μｓ後に、基板がｘ方向に１．１μｍ移動した様子を示す。
【００８０】
この位置において図７（ｂ）に示すように２ショット目のレーザ光が照射され、１ショット目の光照射の後に横方向成長した結晶粒４１の一部を含んだ融解領域２０２が形成される。尚、レーザ光のパルス幅（照射時間）が約１２０ｎｓであるので、レーザ光照射中の基板の移動は約０．０３μｍであり、影響がない、すなわち静止しているものと考えてよい。
【００８１】
これにより、２ショット目の溶融領域２０２における各端部のうち、第１ショット目で形成された結晶粒４１との境界となる側では、この結晶粒４１を種にして、過冷却プロセス無しで横方向成長が進められる。そして、光パルス終息後、シリコンの温度が融点を下回ると同時に結晶粒４１のうちの融け残った部分を種として横方向結晶成長が始まり、さらに大きな結晶粒４２に成長する。ここでは、融解領域２０２の幅３．０μｍの半分の約１．５μｍの横方向成長が起きる。これにより、結晶粒４２は、１．１μｍ延長されて、約２．３μｍの長さに成長する。尚、反対側の端部からは冷却プロセスを経て結晶粒４２’が形成される。
【００８２】
次に図７（ｂ‘）は２ショット目のレーザ光照射からΔｔ＝４．４μｓ後に、基板がｘ方向に１．１μｍ移動した様子を示す。
【００８３】
この位置において図７（ｃ）に示すように３ショット目のレーザ光が照射され、２ショット目のレーザ光照射の後に横方向成長した結晶粒４２の一部を含んで融解領域２０３が形成される。
【００８４】
これにより、３ショット目の溶融領域２０３における各端部のうち、２ショット目で形成された結晶粒４２との境界となる側では、この結晶粒４２を種にして、過冷却プロセス無しで横方向成長が進められる。そして、光パルス終息後、シリコンの温度が融点を下回ると同時に結晶粒４２のうちの融け残った部分を種として横方向結晶成長が始まり、さらに大きな結晶粒４３に成長する。ここでは、融解領域２０３の幅３．０μｍの半分の約１．５μｍの横方向成長が起きる。これにより、結晶粒４３は、１．１μｍ延長されて、約３．４μｍの長さに成長する。尚、反対側の端部からは冷却プロセスを経て結晶粒４３’が形成される。
【００８５】
次に図７（ｃ‘）は３ショット目のレーザ光照射からΔｔ＝４．４μｓ後に、基板がｘ方向に１．１μｍ移動した様子を示す。
【００８６】
この位置において、図７（ｄ）に示すように４ショット目のレーザ光が照射され、３ショット目のレーザ光照射の後に横方向成長した結晶粒４３の一部を含んで融解領域２０４が形成される。ここでは、融解領域２０４の両側に結晶粒４３の一部が含まれるように融解領域２０４が形成される。
【００８７】
これにより、４ショット目の溶融領域２０４における両端から、結晶粒４３を種にして、過冷却プロセス無しで横方向成長が進められる。そして、光パルス終息後、シリコンの温度が融点を下回ると同時に結晶粒４３のうちの融け残った部分を種として横方向結晶成長が始まり、さらに大きな結晶粒４４に成長する。そして、融解領域２０４の両側から成長した結晶粒４４同士が、４ショット目の融解領域２０４の略中央部を隆起部として接合される。
【００８８】
以上により、光パターンの周期ｄ（＝５μｍ）同じ長さで結晶化された結晶粒（横方向成長結晶）４４が得られる。
【００８９】
ここまでを整理すると、図７（ａ）に示す１ショット目のレーザ光の照射後に生成される結晶粒４１の成長終端部分を種として、少なくとも前回のレーザ光の照射による融解部の略中央の隆起部を含む領域を融解領域ａとするレーザ光照射を複数回繰り返し、光パターンの一周期長さまで横方向成長を積み重ねることで、照射スポット内を光パターン（干渉縞）の周期と同等の長さの横方向成長結晶で埋め尽くすことが可能となる。
【００９０】
そして、以上のようにして、非晶質シリコン薄膜Ｓ２の第１領域Ｌ１内（１ショットで光パターンが照射される外形領域内）を結晶化し、０．２５３ｍｍ×１．０ｍｍの全領域を長さ５μｍの横方向成長結晶で埋めつくした後、図４（ｅ）に示すように、次の一連のパルス（４発）が照射されるまでの第１の周期ΔＴ＝約１ｍｓの間に基板がｘ方向に０．２５ｍｍ移動し、レーザ光の照射領域が非晶質シリコン薄膜Ｓ２の第１領域Ｌ１に隣接する第２領域Ｌ２に移動する。
【００９１】
そして、この第２領域Ｌ２に対して、上述した４ショットの一連のレーザ光照射を図４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明したのと同様に行い、第１領域Ｌ１に隣接する０．２５ｍｍ×１．０ｍｍの第２領域を長さ５μｍの横方向成長結晶で埋めつくされる。
【００９２】
以降、第１の周期ΔＴ（＝１ｍｓ）毎に、第２の周期Δｔ（＝４．４μｓ）でのｎ（＝４）回のレーザ光照射による照射領域内全域の横方向成長を繰り返し行うことにより、基板Ｓの表面が長さ５μｍの横方向成長結晶で埋めつくされる。以上のような処理方法により、非晶質シリコン薄膜Ｓ２の必要領域（例えば全面）が横方向成長結晶化され、多結晶シリコン薄膜を得ることができる。尚、一連の４ショットの照射によって、０．２５３ｍｍ×１．０ｍｍの全領域を横方向結晶化するのに要する時間はＹＬＦレーザが１ｋＨｚ発振の場合、約１ｍｓｅｃであり、多結晶化処理速度は約２．５ｃｍ2／ｓｅｃとなる。
【００９３】
得られる横方向成長結晶は、結晶長さが５μｍ程度もあるため、例えばチャネル長さ５μｍの薄膜トランジスタでは、チャネル内で電流方向と直交する平均粒界数が１個以下となり、電子移動度が４００ｃｍ2／Ｖ・ｓに達する高性能薄膜トランジスタを作製できる。
【００９４】
さて横方向成長は原理的には、初期に結晶化した部分が凝固する際に融解潜熱（Ｓｉでは１．６×１０6 Ｊ／kg）を放出し、沖合の液相（未凝固）部分を加熱し、一方、液相部分の核発生率が温度に対する急峻な関数であり、凝固部分からの加熱により未凝固部分の核発生が抑制される結果、凝固部分からの平面的な結晶成長が持続するために起こる。これは、液相シリコンの熱伝導率が１１０(Ｗ／ｍ・Ｋ)と、下地のＳｉＯ2層、ＳｉＮX層およびガラス基板の熱伝導率１〜２(Ｗ／ｍ・Ｋ)よりも圧倒的に大きいために起きる現象である。
【００９５】
但し、融解幅が増加した場合、融解領域の中央付近は凝固部分からの加熱よりは、下地のＳｉＯ2／ＳｉＮX層およびガラス基板への熱の散逸の方が勝り、結晶が横方向成長して来る前に核が発生してしまうため、横方向成長し得る距離には限界があり、基板を特に加熱しない場合、厚さ５０ｎｍのシリコン薄膜でパルス幅が１００〜２００ｎｓの場合、実験的には２〜５μｍが限度となる。従って融解領域（照射領域）の幅Ｗは１０μｍ以下にする必要がある。尚、この幅Ｗは、上記実施形態では光パターン（干渉縞）の周期ｄ（＝５μｍ）の６０％である３μｍとしたが、適時変更できる。
【００９６】
以上のように、このような半導体薄膜の処理方法によれば、多結晶の長さが干渉縞からなる光パターンの周期と一致し典型的には３〜８μｍ以上と、一定長さの多結晶粒への転換が可能なため、薄膜トランジスタ特性の均一性が向上し、表示特性も改善される。
【００９７】
さらに、５μｍ長の結晶の繋ぎ目を避けて薄膜トランジスタのチャネルを配置すれば、粒界におけるキャリアトラップの影響を低減でき、薄膜トランジスタ特性とその均一性を単結晶並みに向上できるという利点が得られる。このため、この処理方法を適用して形成された薄膜トランジスタを液晶表示パネルまたはＥＬ表示パネルなどの外周部や画素部の駆動回路に用いることで、薄膜トランジスタサイズの縮小や動作周波数の向上、さらには表示ムラの低減を達成することができる。
【００９８】
＜半導体薄膜の処理方法−２＞
次に、上述したレーザ処理方法の適用例として、非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）を多結晶化する場合の処理方法の第２例を図８に基づいて説明する。
【００９９】
先ず、上述した第１例で図４および図７を用いて説明したようにして、基板上の非晶質シリコン薄膜の全面に横方向成長結晶４４を形成する。
【０１００】
図８（ａ）は、このようにして横方向成長結晶４４を形成した後の半導体薄膜において、結晶粒界を顕在化させるためのエッチング（Seccoエッチング）をした後に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結晶像の一部（干渉縞の２周期分）を拡大して模式的に示した図であり、図７（ｄ）の状態を平面内で９０°回転させた図に相当する。
【０１０１】
この図８（ａ）に示すように、第１例の処理を終了した状態においては、干渉縞からなる光パターンの周期ｄ（５μｍ）方向にわたる長尺状の横方向成長結晶４４が、その短手方向に配列形成された状態となっている。
【０１０２】
そこで、図８（ａ）に示すように、第１例での処理が終了した後、基板Ｗをその面内において９０°回転させた状態で、上述した第１例の処理、すなわち、略等速の移動速度ｖで連続的に移動している基板Ｓの表面に対して、第１の周期ΔＴ（＝１ｍｓｅｃ）毎に、第２の周期Δｔでｎ＝４回の光パターンＨｐの照射を繰り返し行う。
【０１０３】
このため、先ず、図８（ａ）の状態において、図８（ｂ）に示すように、周期ｄ＝５μｍ、周期方向に対する照射領域（融解領域）の幅Ｗ＝３μｍの光パターンＨｐを用いて、１ショット目のレーザ光照射を行い、照射領域を融解領域３０１とする。
【０１０４】
これにより、既に全面を覆っている結晶粒４４の一部を種結晶とし、この結晶粒４４の成長方向と９０°をなす方向に結晶成長が進む。この際、１ショット目であっても、過冷却プロセスを伴わず、すなわち小粒径の多結晶群（図６の４０）が生成されることがない。このため、融解領域３０１の融解端Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ’の横方向成長結晶４４を種として横方向結晶成長が始まり、さらに大きな結晶粒５１に成長する。ここでは、融解領域３０１の両側の融解端Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ’を起点として、１．５μｍずつの距離だけ結晶が成長する。そして、溶解領域３０１のほぼ中央の隆起部Ｃ−Ｃ’で横方向結晶成長が完了する。
【０１０５】
次に、図８（ｃ）は１ショット目のレーザ光照射からΔｔ＝４．４μｓ経過し、基板がｘ方向に１．１μｍ移動した様子を示す。
【０１０６】
この位置において図８（ｄ）に示すように２ショット目のレーザ光を照射する。この際、第１ショット目のレーザ光照射により横方向成長した結晶粒５１が接合した隆起部Ｃ−Ｃ’付近を含んで、２ショット目のレーザ光が照射されて融解領域３０２となる。
【０１０７】
これにより、２ショット目の溶融領域３０２における各融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’側から、結晶粒５１を種にして、過冷却プロセス無しで横方向成長が進められる。そして、光パルス終息後、シリコンの温度が融点を下回ると同時に結晶粒５１のうちの融け残った部分を種として横方向結晶成長が始まり、さらに大きな結晶粒５２に成長する。この結晶粒５２は、１ショット目による成長分１．５μｍから１．１μｍ延長され、約２．６μｍの長さに成長する。
【０１０８】
以下、上述した第１例と同様に、第１の周期ΔＴ＝１ｍｓｅｃ毎に、第２の周期Δｔ＝４．４μｓｅｃ間隔で４ショットずつ繰り返しレーザ光の照射を行うことで、幅、長さともに５μｍの横方向成長結晶からなる多結晶シリコン結晶群が得られる。
【０１０９】
この実施形態によれば、ほぼ正方格子状に５μｍ周期で結晶粒界が存在するため、これと平行にチャネルを配置する通常のデバイスレイアウトを用いる限り、薄膜トランジスタの性能に異方性が生じることがない。この結果、以降に説明するように、この薄膜トランジスタを液晶表示パネルまたはＥＬ表示パネルの駆動回路に適用する場合、横方向成長した結晶を用いるのにも拘らず、チャネルの向きが直交する２方向の薄膜トランジスタで、同等性能を得られ、薄膜トランジスタの回路パターンのレイアウトが従来通りで構わないという効果を得ることができる。また、ほぼ５μｍ角のサイズの揃った多結晶薄膜なので、これよりも小さいサイズの薄膜トランジスタのチャネルを、５μｍ周期の結晶粒界を避けて配置すれば、粒界におけるキャリアトラップの影響を低減でき、薄膜トランジスタ特性とその均一性を単結晶並みに向上できるという利点が得られる。このため、この処理方法を適用して形成された薄膜トランジスタを液晶表示パネルまたはＥＬ表示パネルなどの駆動回路に用いることで、薄膜トランジスタサイズの縮小や動作周波数の向上、さらには表示ムラの低減を達成することができる。
【０１１０】
＜薄膜トランジスタの製造方法−１＞
次に、上述した半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第１例を説明する。ここでは第１例として、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの製造方法を、図９に基づいて説明する。尚、ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで全く同様である。
【０１１１】
先ず、図９（ａ）に示すように、ガラスなどからなる絶縁基板７００の上にＡｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｕまたはこれらの合金を３０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みで形成し、これをパターニングしてゲート電極７０１に加工する。
【０１１２】
次いで図９（ｂ）に示す様に、ゲート電極７０１を覆う状態で、絶縁性基板７００上にゲート絶縁膜７０２を形成し、さらにこのゲート絶縁膜７０２上に非晶質シリコン薄膜７０３を形成する。尚、ゲート絶縁膜７０２は、例えば下層のゲート窒化膜（ＳｉＮX）と上層のゲート酸化膜（ＳｉＯ2）の二層構造であることとする。
【０１１３】
これらの各膜の成膜は、上述した半導体薄膜の処理方法−１で述べた方法によって、真空成膜室内の真空状態を維持したまま連続的に行われ、例えばプラズマＣＶＤ法によって、ゲート窒化膜を５０ｎｍの厚みで堆積成膜し、次いでゲート酸化膜を約１００〜２００ｎｍの厚みで堆積成膜してゲート絶縁膜７０２を形成した後、これに連続させて非晶質シリコン薄膜７０３を約３０〜８０ｎｍの厚みで堆積成膜する。尚、以上の成膜をプラズマＣＶＤ法にて行った場合、成膜終了後に４００〜４５０℃の温度で窒素雰囲気中において１時間程度加熱処理を行い、非晶質シリコン薄膜７０３に含有されていた水素を放出する。いわゆる脱水素アニールを行うこととする。
【０１１４】
以上のようにしてゲート絶縁膜７０２上に非晶質シリコン薄膜７０３を形成した後、この非晶質シリコン薄膜７０３に対して、上述した薄膜半導体基板の処理方法−１（または−２）を適用し、分割したレーザ光ｈ１、ｈ２を干渉させて発生した光パターンＨｐを照射することにより、非晶質シリコン薄膜７０３の横方向成長結晶化を行い、多結晶シリコン薄膜７０３ａを形成する。
【０１１５】
続いて図９（ｃ）に示す様に、薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈを制御する目的で、多結晶シリコン薄膜７０３ａに対してＶｔｈイオンインプランテーションを必要に応じて行うこととする。例えば、ここでは、Ｂ+イオン７０９を１０ｋｅＶの加速エネルギーでドーズ量５×１０11〜４×１０12／ｃｍ2 程度でイオン注入する。
【０１１６】
続いて、前工程で結晶化された多結晶シリコン薄膜７０３ａ上に、ゲート電極７０１に整合させて絶縁性のストッパー膜７０５を形成する。この際、先ず、プラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2 膜を約１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚みで形成する。ここでは例えば、シランガスＳｉＨ4と亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）をプラズマ分解してＳｉＯ2膜を堆積する。次いで、このＳｉＯ2膜を所定の形状にパターニングしてストッパー膜７０５に加工する。この場合、裏面露光技術を用いてゲート電極７０１と自己整合する様にストッパー膜７０５をパターニングしている。尚、ストッパー膜７０５の直下に位置する多結晶シリコン薄膜７０３ａの部分は、チャネル領域７１１として保護される。このチャネル領域７１１には、前述した様に、予めＶｔｈイオンインプランテーションによりＢ+イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。
【０１１７】
続いて、ストッパー膜７０５をマスクとして、イオンドーピングにより不純物（例えばＰ+イオン）を多結晶シリコン薄膜７０３ａに注入し、ＬＤＤ領域７１２を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１０12〜５×１０13／ｃｍ2 であり、加速電圧は例えば１０ｋｅＶである。更にストッパー膜７０５及びその両側のＬＤＤ領域７１２を被覆する様にフォトレジスト（図示省略）をパターニング形成した後、これをマスクとして不純物（例えばＰ+イオン）を高濃度で多結晶シリコン薄膜７０３ａに注入し、ソース領域及びドレイン領域７１３を形成する。不純物注入には、例えばイオンドーピング（イオンシャワー）を用いることができる。これは質量分離を掛けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、例えば１×１０15／ｃｍ2程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース領域及びドレイン領域７１３を形成する。加速電圧は例えば１０ｋｅＶである。
【０１１８】
尚、ここでの図示は省略したが、同一の絶縁基板７００上に、Ｐチャネルの薄膜トランジスタを形成してＣＭＯＳ回路を構成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をＰ+イオンからＢ+イオンに切り換えドーズ量１×１０15／ｃｍ2 程度でイオンドーピングすればよい。この際、質量分離型のイオンインプランテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。
【０１１９】
以上の後、紫外線ランプを使ったＲＴＡ（急速熱アニール）により、多結晶シリコン薄膜７０３ａに注入された不純物の活性化を行う。この際、場合によっては、エキシマレーザを用いたレーザ活性化アニールを行っても良い。この後、多結晶シリコン薄膜７０３ａとゲート絶縁膜７０２の不要な部分を同時にパターニングし、薄膜トランジスタ７１５を形成すると共に、この薄膜トランジスタ７１５を素子領域毎に分離する。
【０１２０】
その後、図７（ｄ）に示す様に、絶縁基板７００上の薄膜トランジスタ７１５を覆う状態で、プラズマＣＶＤによってＳｉＯ2を約１００ｎｍ〜２００ｎｍ、ＳｉＮXを約２００ｎｍ〜４００ｎｍの厚みで連続して成膜し、層間絶縁膜７１７とする。この段階で窒素ガスまたはフォーミングガス中または真空中雰囲気下で３５０〜４００℃程度の加熱処理を１時間行い、層間絶縁膜７１７に含まれる水素原子を多結晶シリコン薄膜７０３ａ中に拡散させる、いわゆる水素化アニールを行った。この後、層間絶縁膜７１７にコンタクトホールを開口し、Ｍｏ、Ａｌなどを１００ｎｍ〜１μｍの厚みでスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース領域及びドレイン領域７１３に接続された配線電極７１８を形成する。更に、感光性のアクリル樹脂などからなる平坦化層７２０を１〜３μｍ程度の厚みで塗布した後、フォトリソグラフィにより配線電極７１８に達するコンタクトホールを開口する。そして、平坦化層７２０の上に酸化インジウム錫（Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2、以下ＩＴＯ）などからなる透明導電膜またはＡｇまたはＡｌなどからなる反射電極膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして配線電極７１８に接続された画素電極７２１を形成する。
【０１２１】
これにより作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタ７１５の移動度は、Ｎチャネル型で３２０〜４２０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐチャネル型で１２０〜１６０ｃｍ2／Ｖｓであり、従来に比べ２〜３倍以上と大幅に高移動度化が達成されている。
【０１２２】
＜薄膜トランジスタの製造方法−２＞
次に、上述した半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第２例を説明する。ここでは第２例として、トップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法を、図１０に基づいて説明する。尚、ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで全く同様である。
【０１２３】
まず図１０（ａ）に示す様に、絶縁基板８００の上にバッファ層８０１となる二層構造の下地膜をプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。一層目の下地膜はＳｉＮxからなり、その膜厚は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。また、二層目の下地膜はＳｉＯ2からなり、その膜厚は同じく１００ｎｍ〜２００ｎｍである。このバッファ層８０１の上に非晶質シリコン薄膜８０２を約３０ｎｍ〜８０ｎｍの厚みでプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰ−ＣＶＤ法により成膜する。非晶質シリコン薄膜８０２の成膜にプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、膜中の水素を低減するために、窒素雰囲気中４００℃〜４５０℃で１時間程度のアニールを行う。ここで必要ならば、前述した様にＶｔｈイオンインプランテーションを行い、Ｂ+イオンを例えばドーズ量５×１０11〜４×１０12／ｃｍ2 程度で非晶質シリコン薄膜８０２に注入する。この場合の加速電圧は１０ｋｅＶ程度である。
【０１２４】
次いで、この非晶質シリコン薄膜８０２に対して、上述した薄膜半導体基板の処理方法−１（または−２）を適用し、分割したレーザ光ｈ１，ｈ２を干渉させて発生した光パターンＨｐを照射することにより、非晶質シリコン薄膜８０２の結晶化を行い、多結晶シリコン薄膜８０２ａを形成する。
【０１２５】
続いて図１０（ｂ）に示す様に多結晶シリコン薄膜８０２ａを島状にパターニングする。この上に、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、またはスパッタ法などでＳｉＯ2を１０ｎｍ〜４００ｎｍ（ここでは例えば１００ｎｍ）成長させ、ゲート絶縁膜８０３を形成する。
【０１２６】
次いでゲート絶縁膜８０３の上にＡｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ドープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を１００ｎｍ〜８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極８０４に加工する。ゲート電極８０４の直下に位置する多結晶シリコン薄膜８０２ａの部分は、チャネル領域８１１として保護される。このチャネル領域８１１には、前述した様に、予めＶｔｈイオンインプランテーションによりＢ+イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。
【０１２７】
次いで質量分離を用いたイオン注入法によって、多結晶シリコン薄膜８０２ａにＰ+イオンを注入し、ＬＤＤ領域８１２を設ける。このイオン注入はゲート電極８０４をマスクとして多結晶シリコン薄膜８０２ａの全面に対して行う。ドーズ量は６×１０12〜５×１０13／ｃｍ2である。加速電圧は例えば３０〜９０ｋｅＶである。その後、ゲート電極８０４とその周囲を被覆する様にレジストパターン（図示省略）を形成し、Ｐ+イオン８０９を質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入し、ソース領域及びドレイン領域８１３を形成する。この場合のドーズ量は例えば１×１０15／ｃｍ2程度である。加速電圧は例えば３０〜９０ｋｅＶである。ドーピングガスには水素希釈の２０％ＰＨ3ガスが用いられる。
【０１２８】
尚、ここでの図示は省略したが、同一の絶縁基板８００上に、Ｐチャネルの薄膜トランジスタを形成してＣＭＯＳ回路を構成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、ドーピングガスを５％〜２０％のＢ2Ｈ6／Ｈ2ガス系に切り換え、ドーズ量１×１０15〜３×１０15／ｃｍ2程度、加速電圧は例えば３０〜９０ｋｅＶでイオン注入すればよい。尚、ソース領域及びドレイン領域８１３の形成は質量分離型のイオン注入装置を用いてもよい。
【０１２９】
この後、多結晶シリコン薄膜８０２ａに注入されたドーパントの活性化処理となる。この活性化処理はボトムゲート型の薄膜トランジスタの形成と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ（急速熱アニール）を用いることができる。しかる後、ゲート絶縁膜８０３とバッファ層８０１の不要な部分を同時にパターニングし、薄膜トランジスタ８１５を素子領域毎に分離する。
【０１３０】
その後、図１０（ｃ）に示す様に、絶縁基板８００上の薄膜トランジスタ８１５を覆う状態で、プラズマＣＶＤによってＳｉＯ2を約１００ｎｍ〜２００ｎｍ、ＳｉＮXを約２００ｎｍ〜４００ｎｍの厚みで連続して成膜し、層間絶縁膜８１７とした。この段階で窒素ガスまたはフォーミングガス中または真空中雰囲気下で３５０℃〜４００℃程度の加熱処理を１時間行い、層間絶縁膜８１７に含まれる水素原子を多結晶シリコン薄膜８０２ａ中に拡散させる、いわゆる水素化アニールを行った。この後、層間絶縁膜８１７およびゲート絶縁膜８０３にコンタクトホールを開口し、Ａｌ−Ｓｉなどをスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース領域及びドレイン領域８１３に接続された配線電極８１８を形成する。更に、感光性のアクリル樹脂などからなる平坦化層８２０を１〜３μｍ程度の厚みで塗布した後、フォトリソグラフィにより配線電極８１８に達するコンタクトホールを開口する。平坦化層８２０の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜またはＡｇまたはＡｌなどからなる反射電極膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして配線電極８１８に接続された画素電極８２１を形成する。
【０１３１】
このようにして作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタ８１５の電界効果移動度は、Ｎチャネル型で３５０〜４５０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐチャネル型で１５０〜２１０ｃｍ2／Ｖｓと従来に比し大きくなっている。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明のレーザ処理方法の概要を説明するための図である。
【図２】実施形態のレーザ照射装置の構成図である。
【図３】実施形態のレーザ照射装置から照射されるレーザ光の発振周期を示す図である。
【図４】実施形態における半導体薄膜の処理方法−１を説明するための図である。
【図５】光パターンＨｐを平面視的に見た図である。
【図６】シリコン結晶の横方向成長を説明する図である。
【図７】実施形態における半導体薄膜の処理方法−１におけるシリコン結晶の横方向成長を説明する図である。
【図８】実施形態における半導体薄膜の処理方法−２を説明するための図である。
【図９】薄膜トランジスタの製造方法の第１例を説明するための断面工程図である。
【図１０】薄膜トランジスタの製造方法の第２例を説明するための断面工程図である。
【図１１】従来のＳＬＳ法による半導体薄膜処理の概要を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１００…ステージ、１０１…レーザ光発生手段、１０４…ビームスプリッタ（分割手段）、１０６…反射ミラー（光干渉手段）、ａ…照射領域、ｄ…周期（光パターン）、Ｈ…レーザ光、Ｈｐ…光パターン、ｈ１…第１の光束、ｈ２…第２の光束、Ｓ…基板、Ｓ２…半導体薄膜、ΔＴ…第１の周期、Δｔ…第２の周期、ｖ…移動速度（基板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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