(57)【要約】【課題】半導体膜の結晶化プロセスにおいて均質な核を発生させることにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成する。【解決手段】半導体膜５の下地層又はキャップ層として光触媒層４を形成する。光触媒層４に吸収される波長をもつ励起光８を光触媒層４に照射しながら、半導体膜５にレーザ光１を照射して、半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる。この方法により、光触媒層４の超親水作用によって半導体融液の濡れ性が改善する。このため、半導体膜５の融点近傍で、半導体膜５と光触媒層４の界面に結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。【選択図】図１
2008300514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射して前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール方法であって、
前記基板の一方面側に光触媒層を形成し、該光触媒層の上に直接、前記半導体膜を形成し、
前記光触媒層に吸収される波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射しながら、前記半導体膜にレーザ光を照射して、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記光触媒層の吸収端波長は前記基板の吸収端波長より長く、前記基板は前記励起光を透過させる材料からなり、
前記基板の他方面側から、前記基板を通して前記光触媒層に前記励起光を照射する、請求項１記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
前記基板の一方面を上側に向けた状態で、所定の隙間を挟んで水平方向に並べた第１ステージと第２ステージの上面からガスを吹き出して前記基板を浮上させるとともに、浮上した前記基板を前記隙間を跨いで第１ステージと第２ステージの一方から他方に向って水平方向に搬送し、
該基板の搬送と並行して、前記隙間及び前記基板を通して前記基板の下面側から、前記光触媒層に前記励起光を照射しながら、前記基板の上面側から前記隙間に向って、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する、請求項２記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記励起光を透過させる材料からなる基板ステージにより前記他方面を該基板ステージに向けた状態で前記基板を支持し、
前記基板ステージ及び前記基板を通して前記基板の他方面側から前記光触媒層に前記励起光を照射しながら、前記基板の一方面側から、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射し、該レーザ光を前記基板の面方向に走査する、請求項２記載のレーザアニール方法。
【請求項５】
基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射して前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール方法であって、
前記基板の一方面側に前記半導体膜を形成し、該半導体膜の上に直接、光触媒層を形成し、
前記光触媒層が吸収する波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射しながら、前記半導体膜にレーザ光を照射して、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項６】
前記光触媒層は前記レーザ光を透過させる材料からなり、
基板ステージにより前記他方面を該基板ステージに向けた状態で前記基板を支持し、
前記基板の一方面側から前記光触媒層に前記励起光を照射しながら、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜に前記基板の一方面側からレーザ光を照射し、該レーザ光を前記基板の面方向に走査する、請求項５記載のレーザアニール方法。
【請求項７】
前記光触媒層は、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＭｇＯ、ＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＷＯ３、Ｂｉ２Ｏ３又はＦｅ２Ｏ３からなる、請求項１乃至６のいずれか記載のレーザアニール方法。
【請求項８】
基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射して前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール装置であって、
処理対象となる前記基板は、一方面側に光触媒層が形成され、該光触媒層の上に直接、前記半導体膜が形成され、前記光触媒層の吸収端波長が当該基板の吸収端波長より長い、ものであり、
所定の隙間を挟んで水平方向に並べた第１ステージと第２ステージとを有し該第１ステージと第２ステージの上面からガスを吹き出して前記一方面を上側に向けた前記基板を浮上させるガス浮上装置と、
該ガス浮上装置により浮上した前記基板を、前記隙間を跨いで第１ステージと第２ステージの一方から他方に向って水平方向に送る水平送り装置と、
前記基板の上面側から前記隙間に向って、前記半導体膜にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、
前記光触媒層に吸収される波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射する励起光照射装置と、を備え、
前記基板は前記励起光を透過させる材料からなり、前記励起光照射装置は、前記基板の下面側から前記隙間及び前記基板を通して前記光触媒層に前記励起光を照射し、前記レーザ照射装置は、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項９】
レーザ光を基板の面方向に走査して、該基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール装置であって、
処理対象となる前記基板は、一方面側に光触媒層が形成され、該光触媒層の上に直接、前記半導体膜が形成され、前記光触媒層の吸収端波長が当該基板の吸収端波長より長い、ものであり、
前記基板を該基板の他方面側から支持する基板ステージと、
前記基板の一方面側から前記半導体膜にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、
前記光触媒層に吸収される波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射する励起光照射装置と、を備え、
前記基板及び前記基板ステージは、前記励起光を透過させる材料からなり、前記励起光照射装置は、前記基板の他方面側から前記基板ステージ及び前記基板を通して前記光触媒層に前記励起光を照射し、前記レーザ照射装置は、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項１０】
レーザ光を基板の面方向に走査して、該基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール装置であって、
処理対象となる前記基板は、一方面側に半導体膜が形成され、該半導体膜の上に直接、光触媒層が形成され、該光触媒層が前記レーザ光を透過させる材料からなる、ものであり、
前記基板を該基板の他方面側から支持する基板ステージと、
前記基板の一方面側から前記半導体膜にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、
前記基板の一方面側から前記光触媒層に前記励起光を照射する励起光照射装置と、を備え、
前記レーザ照射装置は、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射することにより半導体膜を結晶化させるレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザアニールは、低融点ガラス（通常、無アルカリガラス）からなる基板上に形成された非晶質半導体膜（通常、アモルファスシリコン膜）にレーザ光を照射し、溶融、固化させて再結晶化させることにより多結晶シリコンを形成する技術である。以下、アモルファスシリコン膜をａ−Ｓｉ膜という。結晶化したシリコン膜はａ−Ｓｉ膜に比べ電気的特性に優れているため、携帯電話やデジタルスチルカメラなどの高精細な表示が要求される液晶ディスプレイを駆動するトランジスタに採用されている。
【０００３】
図７は、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に使用されている、ａ−Ｓｉ膜付きガラス基板の断面構造を示す図である（なお、このような構造は例えば、下記特許文献１に開示されている）。図７において、ガラス基板３２（無アルカリガラス等）上にＳｉＯ２膜３３が形成され、その上にａ−Ｓｉ膜３５が形成されている。このａ−Ｓｉ膜３５にレーザ光３１を照射して溶融させ、その後固化させることにより、ａ−Ｓｉ膜３５が結晶化し、多結晶シリコンとなる。
【０００４】
下記表１に示すように、例えば、ＳｉＯ２膜に対するシリコン融液の接触角は９３度以上であり、濡れ性は悪い。また、他の半導体、例えばＧｅ（ゲルマニウム）、ＩｎＰ（インジウムリン）のＳｉＯ２膜に対する接触角は、前記の順に１２０度以上、１３０度以上である。このように濡れ性が悪いために、ＳｉＯ２膜とシリコン融液との界面エネルギーが高い。このため、上記の界面近傍では融点以下になっても結晶核が形成されず、過冷却（融点以下になっても結晶核が発生しない現象）となり、核が発生するときは、界面から離れた位置、すなわち膜内で多量の小さい核が発生することになり、均質な核を発生させることができず、結晶粒径の揃った多結晶シリコンが得られないという問題がある。なお、下記特許文献２には、濡れ性と過冷却度に関する事項が記載されている。
【０００５】
【表１】
2008300514.tif 000003
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−６０５５１号公報
【特許文献２】特開２００５−２５７２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、半導体膜の結晶化プロセスにおいて均質な核を発生させることにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
（１）本発明は、基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射して前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール方法であって、前記基板の一方面側に光触媒層を形成し、該光触媒層の上に直接、前記半導体膜を形成し、前記光触媒層に吸収される波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射しながら、前記半導体膜にレーザ光を照射して、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させる、ことを特徴とする。
【０００９】
上記方法によれば、光触媒層に、この光触媒層が吸収する波長をもつ励起光を照射することにより、半導体膜と光触媒層との界面にキャリア（電子／正孔）が形成するため、半導体膜がレーザ光の照射によって溶融した際の濡れ性が改善する。すなわち、光触媒層の超親水作用によって半導体融液の濡れ性が改善する。このため、半導体膜の融点近傍で、半導体膜と光触媒層の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。
また、光触媒層は、半導体膜の下地層として形成されているので、結晶化プロセス以降に行なわれる処理のために光触媒層を除去する必要がない。
【００１０】
（２）また、上記（１）の方法において、前記光触媒層の吸収端波長は前記基板の吸収端波長より長く、前記基板は前記励起光を透過させる材料からなり、前記基板の他方面側から、前記基板を通して前記光触媒層に前記励起光を照射する。
【００１１】
基板の一方面側（半導体膜側）から励起光を照射した場合、半導体膜によって励起光が吸収されてしまい、光触媒層に励起光を照射することができないが、上記のように励起光を透過させる材料からなる基板を用い、基板側から光触媒層に励起光を照射することにより、励起光を光触媒層に効率的かつ確実に照射することができる。
【００１２】
（３）また、上記（２）の方法において、前記基板の一方面を上側に向けた状態で、所定の隙間を挟んで水平方向に並べた第１ステージと第２ステージの上面からガスを吹き出して前記基板を浮上させるとともに、浮上した前記基板を前記隙間を跨いで第１ステージと第２ステージの一方から他方に向って水平方向に搬送し、該基板の搬送と並行して、前記隙間及び前記基板を通して前記基板の下面側から、前記光触媒層に前記励起光を照射しながら、前記基板の上面側から前記隙間に向って、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する。
【００１３】
上記方法によれば、第１ステージと第２ステージの間に隙間が形成されているので、基板の他方面（下面）側から、前記の隙間を通して光触媒層に励起光を容易に照射することができる。
【００１４】
（４）また、上記（２）の方法において、前記励起光を透過させる材料からなる基板ステージにより前記他方面を該基板ステージに向けた状態で前記基板を支持し、前記基板ステージ及び前記基板を通して前記基板の他方面側から前記光触媒層に前記励起光を照射しながら、前記基板の一方面側から、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射し、該レーザ光を前記基板の面方向に走査する。
【００１５】
上記方法によれば、基板ステージが励起光を透過させる材料からなるので、基板の他方面側から、基板ステージを通して光触媒層に励起光を容易に照射することができる。
【００１６】
（５）また、本発明は、基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射して前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール方法であって、前記基板の一方面側に前記半導体膜を形成し、該半導体膜の上に直接、光触媒層を形成し、前記光触媒層が吸収する波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射しながら、前記半導体膜にレーザ光を照射して、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させることを特徴とする。
【００１７】
上記方法によれば、上記（１）の方法と同様に、半導体膜の融点近傍で、半導体膜と光触媒層の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。
【００１８】
（６）また、上記（５）の方法において、前記光触媒層は前記レーザ光を透過させる材料からなり、基板ステージにより前記他方面を該基板ステージに向けた状態で前記基板を支持し、前記基板の一方面側から前記光触媒層に前記励起光を照射しながら、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜に前記基板の一方面側からレーザ光を照射し、該レーザ光を前記基板の面方向に走査する。
【００１９】
上記方法によれば、光触媒層がレーザ光を透過させる材料からなるので、通常のレーザアニールと同様に基板の一方面側から半導体膜にレーザ光を照射することができる。また、基板の一方面側から光触媒層に励起光を照射するので、基板ステージに特別な工夫を加える必要が無い。
【００２０】
（７）また、上記（１）〜（６）の方法において、光触媒層は、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＭｇＯ、ＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＷＯ３、Ｂｉ２Ｏ３又はＦｅ２Ｏ３からなる。
【００２１】
このように、光触媒層として、種々の光触媒を適用することができる。特に、ＴｉＯ２（二酸化チタン）は、無害であり、化学的に安定であり、かつ安価に入手可能である。
【００２２】
（８）また、本発明は、基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射して前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール装置であって、処理対象となる前記基板は、一方面側に光触媒層が形成され、該光触媒層の上に直接、前記半導体膜が形成され、前記光触媒層の吸収端波長が当該基板の吸収端波長より長い、ものであり、所定の隙間を挟んで水平方向に並べた第１ステージと第２ステージとを有し該第１ステージと第２ステージの上面からガスを吹き出して前記一方面を上側に向けた前記基板を浮上させるガス浮上装置と、該ガス浮上装置により浮上した前記基板を、前記隙間を跨いで第１ステージと第２ステージの一方から他方に向って水平方向に送る水平送り装置と、前記基板の上面側から前記隙間に向って、前記半導体膜にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、前記光触媒層に吸収される波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射する励起光照射装置と、を備え、前記基板は前記励起光を透過させる材料からなり、前記励起光照射装置は、前記基板の下面側から前記隙間及び前記基板を通して前記光触媒層に前記励起光を照射し、前記レーザ照射装置は、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する。
【００２３】
上記構成によれば、光触媒層に、この光触媒層が吸収する波長をもつ励起光を照射することにより、半導体膜と光触媒層との界面にキャリア（電子／正孔）が形成するため、半導体膜がレーザ光の照射によって溶融した際の濡れ性が改善する。すなわち、光触媒層の超親水作用によって半導体融液の濡れ性が改善する。このため、半導体膜の融点近傍で、半導体膜と光触媒層の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。
また、第１ステージと第２ステージの間に隙間が形成されているので、基板の他方面（下面）側から、上記の隙間を通して光触媒層に励起光を容易に照射することができる。
【００２４】
（９）また、本発明は、レーザ光を基板の面方向に走査して、該基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール装置であって、処理対象となる前記基板は、一方面側に光触媒層が形成され、該光触媒層の上に直接、前記半導体膜が形成され、前記光触媒層の吸収端波長が当該基板の吸収端波長より長い、ものであり、前記基板を該基板の他方面側から支持する基板ステージと、前記基板の一方面側から前記半導体膜にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、前記光触媒層に吸収される波長をもつ励起光を前記光触媒層に照射する励起光照射装置と、を備え、前記基板及び前記基板ステージは、前記励起光を透過させる材料からなり、前記励起光照射装置は、前記基板の他方面側から前記基板ステージ及び前記基板を通して前記光触媒層に前記励起光を照射し、前記レーザ照射装置は、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する、ことを特徴とする。
【００２５】
上記構成によれば、上記（８）の装置と同様に、半導体膜の融点近傍で、半導体膜と光触媒層の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。
また、基板ステージが励起光を透過させる材料からなるので、基板の他方面側から、基板を通して光触媒層に励起光を容易に照射することができる。
【００２６】
（１０）また、本発明は、レーザ光を基板の面方向に走査して、該基板の一方面側に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記半導体膜を溶融及び固化させることにより結晶化させるレーザアニール装置であって、処理対象となる前記基板は、一方面側に半導体膜が形成され、該半導体膜の上に直接、光触媒層が形成され、該光触媒層が前記レーザ光を透過させる材料からなる、ものであり、前記基板を該基板の他方面側から支持する基板ステージと、前記基板の一方面側から前記半導体膜にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、前記基板の一方面側から前記光触媒層に前記励起光を照射する励起光照射装置と、を備え、前記レーザ照射装置は、前記励起光が照射された光触媒層に隣接する前記半導体膜にレーザ光を照射する、ことを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、上記（８）の装置と同様に、半導体膜の融点近傍で、半導体膜と光触媒層の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。
また、基板の一方面側から光触媒層に励起光を照射するので、基板ステージに特別な工夫を加える必要が無い。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、半導体膜の結晶化プロセスにおいて均質な核を発生させることにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３０】
［第１実施形態にかかるレーザアニール方法］
図１は、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール方法の説明図である。
このレーザアニールは、基板２の一方面側に形成された半導体膜５にレーザ光１を照射して半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる。以下、基板２において、半導体膜５が形成された側の面を「一方面」といい、その反対側の面を「他方面」という。
【００３１】
図１において、基板２の一方面（図で上面）にバリア層３が形成されている。基板２は、液晶パネル用、ＰＤＰパネル用などのガラス基板である。ガラス基板は、無アルカリガラスがよく用いられるが、石英ガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、バイコールガラス等の他のガラス基板であってもよい。バリア層３は、ＳｉＯ２膜などからなる。
【００３２】
バリア層３の上に光触媒からなる光触媒層４が形成されている。光触媒層４の形成は、ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜法を用いて行なうことができる。光触媒には、光を吸収することにより表面が超親水性もつ「超親水作用」がある。光触媒としては、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＭｇＯ、ＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＷＯ３、Ｂｉ２Ｏ３又はＦｅ２Ｏ３を用いることができるが、他の光触媒であっても良い。上記の光触媒のうち、ＴｉＯ２（二酸化チタン）は、無害であり、化学的に安定であり、かつ安価に入手可能である。
【００３３】
光触媒層４の上に直接、半導体膜５が形成されている。半導体膜５の形成は、ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜法を用いて行なうことができる。半導体膜５は、非晶質半導体膜（例えばａ−Ｓｉ膜）である。
以下、基板２に、バリア層３、光触媒層４及び半導体膜５が形成された構造体を、半導体膜付き基板６という。
【００３４】
本実施形態のレーザアニール方法は、基板２の一方面側に、光触媒層４を形成し、この光触媒層４の上に直接、半導体膜５を形成し、光触媒層４に吸収される波長をもつ励起光８を光触媒層４に照射しながら、半導体膜５にレーザ光１を照射して、半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる、ことを特徴とする。図１（Ａ）は、光触媒層４に励起光８を照射しながら、半導体膜５にレーザ光１を照射している様子を示しており、図１（Ｂ）は、レーザ光１の照射によって半導体膜５が溶融及び固化し、結晶化した様子を示している。図１（Ｂ）の符号５ａは、半導体膜５の結晶化した領域を示している。
【００３５】
上記の「光触媒層４に吸収される波長」は、光触媒層４が例えば二酸化チタンである場合は、３８０ｎｍである。なお、「光触媒層４に吸収される波長」は、光触媒層４のバンドギャップより大きいエネルギーの波長」と言い換えることもできる。
【００３６】
上記の励起光８は、励起光照射装置９から照射される。光触媒層４が二酸化チタンである場合、上記の励起光８は紫外光であり、励起光照射装置９は、紫外線照射灯（ブラックライト）である。なお、励起光８はレーザ光であってもよく、この場合、励起光照射装置９はレーザ装置である。
【００３７】
図１（Ａ）に示すように、基板２の他方面（図で下面）側から、基板２を通して光触媒層４に励起光８を照射する。このため、光触媒層４の吸収端波長は基板２の吸収端波長より長く、かつ基板２は励起光８を透過させる材料からなることが必要である。
【００３８】
半導体膜５に対するレーザ光１の照射は、レーザ光１を基板２の面方向に走査することにより行なう。通常、レーザ光１の位置を固定し、基板２を面方向に移動させることにより、上記の走査を行なうが、逆に、基板２の位置を固定しレーザ光１の照射位置を基板２の面方向に移動させることにより、上記の走査を行なってもよい。
【００３９】
レーザ光１は、通常のレーザアニールと同様に、線状ビームに成形されて半導体膜５を溶融するのに十分なエネルギー密度で半導体膜５に照射される。
レーザ光１は、連続波、パルス波のいずれでもよいが、半導体膜５の結晶粒径は、溶融及び固化した回数すなわちレーザ光１の入射回数に応じて大きくなるため、パルス波を用い、単位領域あたりのパルス光の照射回数が複数回となるようにレーザ光１を基板２の面方向に走査することにより、効率的に粒径の大きな結晶粒を得ることができる。
【００４０】
本実施形態のレーザアニール方法によれば、半導体膜５にレーザ光１を照射する際に、光触媒層４に、この光触媒層４が吸収する波長をもつ励起光８を照射することにより、半導体膜５と光触媒層４との界面にキャリア（電子／正孔）が形成されるため、半導体膜５がレーザ光１の照射によって溶融した際の濡れ性が改善される。すなわち、光触媒層４の超親水作用によって半導体融液の濡れ性が改善される。このため、半導体膜５の融点近傍で、半導体膜５と光触媒層４の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜５を形成することができる。
また、光触媒層４は、半導体膜５の下地層として形成されているので、結晶化プロセス以降に行なわれる処理のために光触媒層４を除去する必要がない。
【００４１】
また、基板２の一方面側（半導体膜５側）から励起光８を照射した場合、半導体膜５によって励起光８が吸収されてしまい、光触媒層４に励起光８を照射することができないが、上記のように、光触媒層４の吸収端波長は基板２の吸収端波長より長くかつ基板２は励起光８を透過させる材料からなる、という条件の下で、基板２の他方面側から光触媒層４に励起光８を照射することにより、励起光８を光触媒層４に効率的かつ確実に照射することができる。なお、通常用いられる無アルカリガラス等のガラス基板は、上記の条件を満たしている。
【００４２】
図２は、半導体膜３５の、レーザ光の照射によって溶融及び固化し結晶化した結晶化領域３５ａと、レーザ光が照射されておらず結晶化していない固相領域３５ｂを模式的に示した図である。レーザ光により融液化した半導体とその固相との濡れ性は良く、固液界面で濡れようとするため、光触媒層４を用いていない従来のレーザアニール方法では、図２に示すように、融液の固液界面近傍の部分が表面まで達し、表面の凹凸が大きくなる。なお、濡れ性が良い場合に融液が表面に達する現象を説明するものとして、特許第２７１０６７０号がある。
【００４３】
これに対し、本実施形態のレーザアニール方法によれば、光触媒層４に対する半導体融液の濡れ性が良いため、光触媒層４と半導体融液との固液界面での濡れようとするエネルギーによって、上述したような融液が表面に達する現象を抑制し、表面の凹凸を小さくする効果が期待できる。
【００４４】
［第２実施形態にかかるレーザアニール方法］
図３は、本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール方法の説明図である。なお、本実施形態の説明において、言及しない事項については、第１実施形態と同様である。
【００４５】
本実施形態のレーザアニール方法は、基板２の一方面側に半導体膜５を形成し、半導体膜５の上に直接、光触媒層４を形成し、光触媒層４が吸収する波長をもつ励起光８を光触媒層４に照射しながら、半導体膜５にレーザ光１を照射して、半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる、ことを特徴とする。図３（Ａ）は、光触媒層４に励起光８を照射しながら、半導体膜５にレーザ光１を照射している様子を示しており、図３（Ｂ）は、レーザ光１の照射によって半導体膜５が溶融及び固化し、結晶化した様子を示している。図３（Ｂ）の符号５ａは、半導体膜５の結晶化した領域を示している。
【００４６】
上述した第１実施形態では、半導体膜５の下地層として光触媒層４を形成したが、本実施形態では、半導体膜５のキャップ層として光触媒層４を形成する。
以下、基板２に、バリア層３、半導体膜５及び光触媒層４が形成された構造体を、半導体膜付き基板７という。
【００４７】
励起光８を基板２の他方面側から照射した場合、半導体膜５によって遮られ、光触媒層４に照射できないため、本実施形態では、基板２の一方面側から光触媒層４に励起光８を照射する。この場合、レーザ光１を半導体膜５に照射するためには、レーザ光１が光触媒層４を透過しなければならない。したがって、光触媒層４はレーザ光１を透過させる材料からなることが必要である。
【００４８】
本実施形態のレーザアニール方法によれば、第１実施形態と同様に、光触媒層４の超親水作用によって半導体融液の濡れ性が改善するので、半導体膜５の融点近傍で、半導体膜５と光触媒層４の界面で結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜５を形成することができる。
また、光触媒層４がレーザ光１を透過させる材料からなるので、通常のレーザアニールと同様に基板２の一方面側から半導体膜５にレーザ光１を照射することができる。
【００４９】
以下、上述したレーザアニール方法を実施するためのレーザアニール装置の構成例について説明する。
【００５０】
［第１構成例］
図４は、第１実施形態のレーザアニール方法を実施するための第１構成例にかかるレーザアニール装置１０Ａの概略構成を示す図である。
このレーザアニール装置１０Ａは、レーザ照射装置１６と、ガス浮上装置１２と、水平送り装置１４と、励起光照射装置９とを備え、図１に示した半導体膜付き基板６を対象として、半導体膜５にレーザ光１を照射し、半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる。
【００５１】
レーザ照射装置１６は、基板２の上面側から基板２上の半導体膜５にレーザ光１を照射するための装置であり、レーザ光１を発振するレーザ発振器１７と、レーザ発振器１７からのレーザ光１を均一化し線状ビームに成形するビームホモジナイザ１８と、ビームホモジナイザ１８からのレーザ光１を基板２の方向に反射するミラー１９と、ミラー１９からのレーザ光１を基板２上の半導体膜５に集光する投影レンズ２０とを有する。
【００５２】
上記のレーザ発振器１７としては、エキシマレーザの他、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４等の固体レーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザが例示される。より具体的には、波長２４８ｎｍや３０８ｎｍのエキシマレーザ、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍや３５５ｎｍのＹＡＧレーザ、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍの半導体レーザ（レーザダイオード）、波長１０.６μｍのＣＯ２レーザが例示される。また、上述したように、レーザ光１は、連続波、パルス波のいずれでもよい。
【００５３】
ガス浮上装置１２は、所定の隙間を挟んで水平方向（図で左右方向）に並べた第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂとを有し、第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂの上面からガスを吹き出して一方面（半導体膜５が形成された面）を上側に向けた基板２を浮上させる。第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂの上面には、ガスを吹き出す穴が多数設けられ、その穴はガス配管（図示せず）を介してガス供給器（図示せず）に接続されている。
【００５４】
水平送り装置１４は、ガス浮上装置１２により浮上した基板２を、上記の隙間を跨いで第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂの一方から他方に向って水平方向に送る。以下、第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂの一方から他方に向う水平方向を「送り方向」という。図４では、水平送り装置１４のうち基板２の端部を把持する把持機構のみが示されており、把持機構移動装置（図示せず）の駆動により、把持機構が送り方向に水平移動する。
【００５５】
励起光照射装置９は、基板２の他方面（下面）側から、上記の隙間を通して、光触媒層４に吸収される波長をもつ励起光８を光触媒層４に照射する。上述したように、励起光照射装置９は、励起光８が紫外光の場合は紫外線照射灯（ブラックライト）である。また、励起光照射装置９はレーザ装置であってもよい。
【００５６】
光触媒層４の超親水性作用により半導体融液の濡れ性をよくするためには、半導体膜５におけるレーザ光１の照射領域が、上記の励起光８が照射されている光触媒層４に隣接していることが必要である。したがって、レーザ照射装置１６は、上記の隙間に向ってレーザ光１を照射し、励起光８が照射された光触媒層４に隣接する半導体膜５にレーザ光１を照射する。
【００５７】
上記のレーザアニール装置１０Ａを用い、基板２の一方面を上側に向けた状態で、ガス浮上ステージにより基板２を浮上させるとともに、浮上した基板２を上記の隙間を跨いで第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂの一方から他方に向って水平方向に送ることにより、基板２を搬送する。また、基板２の搬送と並行して、上記の隙間及び基板２を通して基板２の下面側から、光触媒層４に励起光８を照射しながら、基板２の上面側から隙間に向って、励起光８が照射された光触媒層４に隣接する半導体膜５にレーザ光１を照射する。
【００５８】
このように第１構成例のレーザアニール装置１０Ａによれば、光触媒層４に、この光触媒層４が吸収する波長をもつ励起光８を照射することにより、光触媒層４の超親水作用によって半導体融液の濡れ性が改善する。このため、半導体膜５の融点近傍で、半導体膜５と光触媒層４の界面に結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜５を形成することができる。また、基板２側から光触媒層４に励起光８を照射することにより、励起光８を光触媒層４に効率的かつ確実に照射することができる。
また、第１ステージ１２ａと第２ステージ１２ｂの間に隙間が形成されているので、基板２の他方面（下面）側から、上記の隙間を通して光触媒層４に励起光８を容易に照射することができる。
【００５９】
［第２構成例］
図５は、第１実施形態のレーザアニール方法を実施するための第２構成例にかかるレーザアニール装置１０Ｂの概略構成を示す図である。
このレーザアニール装置１０Ｂは、レーザ照射装置１６と、基板ステージ２２と、励起光照射装置９とを備え、図１に示した半導体膜付き基板６を対象として、半導体膜５にレーザ光１を照射し、半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる。
【００６０】
この第２構成例が上述した第１構成例と異なるのは、第１構成例におけるガス浮上装置１２及び水平送り装置１４を、励起光８を透過させる材料からなる基板ステージ２２に置き換えた点である。励起光８を透過させる材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等のガラス材が例示される。なお、「励起光８を透過させる材料」は、「吸収端波長が励起光８の波長より短い材料」と言い換えることもできる。
【００６１】
上記の基板ステージ２２は、基板２を、基板２の他方面側から支持する。本構成例において、基板ステージ２２は、基板２に対するレーザ光１の入射方向に交差する方向（図では左右方向）に移動する。この基板ステージ２２の移動により、レーザ光１を基板２の面方向に走査することができる。なお、基板ステージ２２の位置を固定し、レーザ光１の照射方向を移動させることにより、レーザ光１を基板２の面方向に走査するようにしてもよい。
【００６２】
本構成例のレーザアニール装置１０Ｂを用い、基板ステージ２２により他方面を基板ステージ２２に向けた状態で基板２を支持し、基板ステージ２２及び基板２を通して基板２の他方面側から光触媒層４に励起光８を照射しながら、基板２の一方面側から、励起光８が照射された光触媒層４に隣接する半導体膜５にレーザ光１を照射し、レーザ光１を基板２の面方向に走査する。
【００６３】
本構成例のレーザアニール装置１０Ｂによれば、第１構成例と同様に、半導体膜５の融点近傍で、半導体膜５と光触媒層４の界面に結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜５を形成することができる。
また、基板ステージ２２が励起光８を透過させる材料からなるので、基板２の他方面側から、基板２を通して光触媒層４に励起光８を容易に照射することができる。
【００６４】
［第３構成例］
図６は、第２実施形態のレーザアニール方法を実施するための第３構成例にかかるレーザアニール装置１０Ｃの概略構成を示す図である。
このレーザアニール装置１０Ｃは、レーザ照射装置１６と、基板ステージ２４と、励起光照射装置９とを備え、図３に示した半導体膜付き基板７を対象として、半導体膜５にレーザ光１を照射し、半導体膜５を溶融及び固化させることにより結晶化させる。
【００６５】
レーザ照射装置１６は、基板２の一方面側から前記半導体膜５にレーザ光１を照射する。レーザ照射装置１６の構成は、第１構成例と同様である。
励起光照射装置９は、基板２の一方面側から、光触媒層４に吸収される波長をもつ励起光８を光触媒層４に照射する。励起光照射装置９の構成は、基板２に対する位置が異なる点を除き、第１構成例と同様である。
【００６６】
本構成例の基板ステージ２４は、基板２を、基板２の他方面側から支持するものである点で、第２構成例の基板ステージ２２と同じであるが、励起光８を透過させる材料からなる必要がない点で、第２構成例の基板ステージ２２とは異なる。
【００６７】
本構成例の基板ステージ２４は、第２構成例と同様に、基板２に対するレーザ光１の入射方向に交差する方向（図では左右方向）に移動し、この基板ステージ２４の移動により、レーザ光１を基板２の面方向に走査することができるが、基板ステージ２４の位置を固定し、レーザ光１の照射方向を移動させることにより、レーザ光１を基板２の面方向に走査するようにしてもよい。
【００６８】
本構成例のレーザアニール装置１０Ｃを用い、基板ステージ２４により他方面を基板ステージ２４に向けた状態で基板２を支持し、基板２の一方面側から光触媒層４に励起光８を照射しながら、励起光８が照射された光触媒層４に隣接する半導体膜５に基板２の一方面側からレーザ光１を照射し、レーザ光１を基板２の面方向に走査する。
【００６９】
本構成例のレーザアニール装置１０Ｃによれば、第１構成例と同様に、半導体膜５の融点近傍で、半導体膜５と光触媒層４の界面に結晶核を発生させることができ、これにより結晶粒径の揃った多結晶半導体膜５を形成することができる。
また、基板２の一方面側から光触媒層４に励起光８を照射するので、基板ステージ２４に特別な工夫を加える必要が無い。
【００７０】
なお、第３構成例において、基板ステージ２４を、第２構成例のガス浮上装置１２及び水平送り装置１４に置き換えて、ガス浮上装置１２及び水平送り装置１４により基板２を移動させてもよい。
【００７１】
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。例えば、上記の実施形態では非晶質半導体膜としてａ−Ｓｉ膜を対象としたが、他の非晶質半導体膜（例えば非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜）を対象としてもよい。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール方法を説明する図である。
【図２】半導体膜の、レーザ光の照射によって溶融及び固化し結晶化した結晶化領域と、レーザ光が照射されておらず結晶化していない固相領域を模式的に示した図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール方法を説明する図である。
【図４】第１実施形態のレーザアニール方法を実施するための第１構成例にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。
【図５】第１実施形態のレーザアニール方法を実施するための第２構成例にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。
【図６】第２実施形態のレーザアニール方法を実施するための第３構成例にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。
【図７】従来のａ−Ｓｉ膜付きガラス基板の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  レーザ光
２  基板
３  バリア層
４  光触媒層
５  半導体膜
６，７  半導体膜付き基板
８  励起光
９  励起光照射装置
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  レーザアニール装置
１２  ガス浮上装置
１２ａ  第１ステージ
１２ｂ  第２ステージ
１４  水平送り装置
１６  レーザ照射装置
１７  レーザ発振器
１８  ビームホモジナイザ
１９  ミラー
２０  投影レンズ
２２，２４  基板ステージ
【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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