(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザビーム照射領域の結晶粒が均一な結晶性を有する半導体薄膜を製造するレーザ加工方法および結晶化装置の提供。【解決手段】レーザ発振器と、矩形状スリット投影マスクと、被照射物上に結像する結像手段と、被照射物を支持するステージと、前記像とステージとを相対的に移動させる移動手段と、レーザ発振器と移動手段とを制御する制御手段と、前記投影マスクは、第１のスリットと、第１のスリットより幅の広い第２のスリットとを含み、前記制御手段は、第１領域内に対し第１のスリットの像を結像し、第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、第１領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第２のスリットの像を結像して溶融、凝固させて結晶化する一連の工程を繰り返す結晶化装置およびレーザ加工方法。【選択図】図２
2008147236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを照射するレーザ発振器と、
前記レーザビームを透過する矩形状のスリットを有するレーザビーム投影マスクと、
前記レーザビーム投影マスクのスリットを透過させたレーザビームを像として被照射物上に結像する結像手段と、
被照射物を支持するステージと、
前記像とステージとを相対的に移動させる移動手段と、
レーザ発振器と移動手段とを制御する制御手段とを備える結晶化装置であって、
前記レーザビーム投影マスクは、第１のスリットと、第１のスリットより幅の広い第２のスリットとを含み、
前記制御手段が、被照射物上の前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のスリットの像を結像して、第１領域内の前駆体半導体材料を溶融するようにレーザ発振器を制御し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビーム投影マスクの像が結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、直前の第１領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第２のスリットの像を結像して前駆体半導体材料を溶融し、溶融した前記前駆体半導体材料を凝固させて結晶化する一連の工程を繰り返し行うように構成された、結晶化装置。
【請求項２】
レーザビームを照射するレーザ発振器と、
前記レーザビームを透過する矩形状のスリットを有するレーザビーム投影マスクと、
前記レーザビーム投影マスクのスリットを透過させたレーザビームを像として被照射物上に結像する結像手段と、
被照射物を支持するステージと、
前記像とステージとを相対的に移動させる移動手段と、
レーザ発振器と移動手段とを制御する制御手段とを備える結晶化装置であって、
前記レーザビーム投影マスクは、第１のスリットと、第２のスリットと、第１のスリットおよび第２のスリットより幅の広い第３のスリットと、第１のスリットおよび第２のスリットより幅の広い第４のスリットと含んで構成され、
前記制御手段が、被照射物上の前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のスリットの像を結像して、第１領域内の前駆体半導体材料を溶融するようにレーザ発振器を制御し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域とは重畳しない前駆体半導体材料からなる層上の第２領域内に第２のスリットの像を結像して第２領域内の前駆体半導体材料を溶融するようにレーザ発振器を制御し、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域および第２領域と部分的に重畳する第３領域内に第３のスリットの像を結像して第３領域内の前駆体半導体材料を溶融させて結晶化した後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域および第２領域と部分的に重畳する第４領域内に第４のスリットの像を結像して第４領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した前駆体半導体材料を凝固させて結晶化させる一連の工程を繰り返し行うように構成された、結晶化装置。
【請求項３】
前駆体半導体材料からなる層に、透過部が矩形状のスリット群で構成された、レーザビーム投影マスクによって投影されたレーザビームを照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、
前記前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化し、前駆体半導体材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、前駆体半導体材料からなる層の表面上における前記レーザビームの照射と前記レーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行う方法であり、
レーザビーム投影マスクとして、前駆体半導体材料のみからなる領域にレーザビームが照射される第１領域において、マスク透過部の矩形状のスリットの幅が、他の領域に比べ狭いものを用いることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
前駆体半導体材料からなる層に、透過部が矩形状のスリット群で構成された、レーザビーム投影マスクによって投影されたレーザビームを照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、
前記前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域とは重畳しない前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に前記レーザビームを照射して第２領域内の前駆体半導体領域を溶融し、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、第１領域および第２領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第３領域を定め、第３領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、第１領域および第２領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第４領域を定め、第４領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化させる一連の工程を繰り返し行う方法であり、
レーザビーム投影マスクとして、前駆体半導体材料のみからなる領域にレーザビームが照射される第１領域において、マスク透過部の矩形状のスリットの幅が、他の領域に比べ狭いものを用いることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
前記投影マスクに投影されるレーザビームを第１のレーザビームとし、該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記前駆体半導体材料が非晶質材料であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
繰り返し照射の周期が、系の温度時定数よりも遅いことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば半導体デバイスなどに半導体材料として用いられる非晶質材料をレーザビーム照射によって結晶化するレーザ加工方法およびそれに用いられる結晶化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコン（Ｓｉ）材料を用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上にシリコン薄膜を形成したシリコン薄膜を用いる方法がある。ガラス基板上にシリコン薄膜を用いることによって製造された半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリクス液晶表示装置の一部として用いられる。
【０００３】
ここで、液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明な基板上に規則的なアレイとして配列されるＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）として用いられる。上記ＴＦＴの各トランジスタは、液晶表示装置における画素コントローラとして作用する。なお、従来、液晶表示装置のＴＦＴは、通常、非晶質シリコンで形成されていた。
【０００４】
近年では、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン膜を用いて、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したＴＦＴ液晶表示装置が製造されるようになってきている。ここで、多結晶シリコン膜を製造する方法として、例えば、基板上に堆積している非晶質または微結晶シリコン膜にエキシマレーザを照射して結晶化する方法（ＥＬＣ（Excimer Laser Crystallization）法）が知られている。
【０００５】
上記ＥＬＣ法は、サンプルに対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームを半導体膜上に連続的に照射する方法が一般的である。このときレーザを照射した部分の半導体膜は、厚み方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の半導体膜領域を残したまま溶融する。このため、未溶融領域／溶融領域界面全域において、至るところに結晶核が発生し、半導体膜の最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるため、結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。
【０００６】
多結晶シリコン膜の結晶粒界には、不対電子が多数存在するためポテンシャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁は、キャリアの強い散乱体として作用する。したがって結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電荷移動度は高くなる。
【０００７】
しかしながら、従来のＥＬＣ法では、上述のように、未溶融領域／溶融領域界面のランダムな位置において結晶化が起こる縦方向結晶成長であり、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることは難しく、電荷移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。また、ランダムに結晶化するため、各ＴＦＴ相互間で構造の不均一性が生じると共に、ＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じてしまうという不具合が生じていた。さらに、このような不具合により、ＴＦＴ液晶表示装置において、１つの表示画面中に表示速度の速い画素と表示速度の遅い画素とが並存するという問題が生じていた。
【０００８】
さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコン膜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。
【０００９】
その中でも特に、「ラテラル成長法」に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるため、注目を集めている（たとえば、特表２０００−５０５２４１号公報（特許文献１）を参照。）。
【００１０】
従来の典型的な結晶化方法は、たとえば図５に示すような結晶化装置によって、微細幅のパルスレーザを半導体に照射し、半導体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ものである。図５に示す例の結晶化装置によれば、たとえば、光源１１１から出射したエキシマレーザが、可変減衰器１１２、焦点視野レンズ１１３、レーザビーム投影マスク１１４および結像レンズ１１５を順次通過後、ステージ１１６上に載置された半導体素子１０１の上面に照射される。また、レーザビームの照射は、制御手段１１７によって制御されるように構成される。ここで、半導体素子１０１は、たとえば、図６に示すように透明基板１０２上に積層された下地膜１０３および半導体膜１０４で構成されたものを用いる。
【００１１】
以下、上記方法の手順を示す。まず、図６に示すように、透明基板１０２の半導体膜１０１の延設方向（図６中ＸＹ方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、半導体膜１０４内の領域Ｒを加熱する。具体的には、半導体膜１０４の領域Ｒ以外の領域をマスキングした後、半導体膜１０４をレーザ露光することにより行われる。これにより、領域Ｒに照射されたレーザビームのエネルギーが熱エネルギーに変換され、半導体膜１０４内の領域Ｒを、その厚みにわたって溶融することができる。
【００１２】
次に、領域Ｒにて溶融されている半導体膜１０４を冷却することにより凝固させると、図７（ａ）に示すように、領域Ｒとそれ以外の領域との境界から、領域Ｒの中心に向かうようにして、結晶が成長する。なお、図７（ａ）は、図６における半導体膜１０４の上面図である。
【００１３】
さらに、図７（ｂ）に示すように、領域Ｒ内の結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｒと隣り合う新たな領域Ｒ’を設定し、上記手順と同様に領域Ｒ’を溶融する。そして、上記同様、領域Ｒ’にて溶融されている半導体膜１０４を凝固させると、図７（ｃ）に示すように、領域Ｒ’内に結晶が成長する。
【００１４】
このような手順を繰り返し、半導体膜１０４に所望の結晶を延設方向に向かって段階的に形成させることで、図７（ｄ）に示すように、多結晶構造の半導体結晶を拡大させることができる。これにより、結晶粒の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００１５】
上記技術に基づき、たとえば、特開２００３−２２９６９号公報（特許文献２）、特開２００３−９２２６２号公報（特許文献３）、特開２００３−１５１９０７号公報（特許文献４）においては、レーザビーム投影マスクの透過領域を矩形スリット状とし、半導体膜の溶融幅を適宜規定し、前記投影マスクのパターンから予め定められた量だけ半導体膜を送り、隣り合う領域を再度溶融させることで所望の形状を有する結晶を形成する。また、特開２００４−３１８０９号公報（特許文献５）においては、レーザビーム投影マスクの領域を４分割し、最初の第１領域〜第３領域で結晶化を行い、最後の第４領域において、前記第１領域〜第３領域よりも狭いスリット幅のレーザビーム照射を行い、結晶化時に形成されたリッジと呼ばれる横方向成長した結晶が両側からぶつかることで形成される突起を低減することを行っている。
【００１６】
入射されるレーザビームのエネルギーは、理想的には、図８に示すようにレーザビームは均一光学系によって均一なビーム形状に変形されて入射され、レーザビーム投影マスクに形成されるスリット形状（特にスリット幅）は、たとえば図９（ａ），図１０（ａ）に示すように均一に形成され、これらにより均一な結晶粒長を得る（図９（ｂ）、図１０（ｂ））ことで、等速もしくは等幅のステップ移動が可能となっている。
【００１７】
しかしながら、上述した先行技術には、以下のような問題がある。レーザビームは均一光学系によって均一なビーム形状に変形されて入射されることにより、均一な結晶成長を得るように設計されているが、結晶化そのものに関わるパラメータは、半導体膜に吸収されるレーザビームのエネルギ量と、それによって発生した熱であり、結晶化領域を引き継ぐために高速で走査すると、照射される半導体膜の状態や、重ね合わせの回数の違いにより、結晶化領域上での、レーザビームによる溶融幅が異なる、あるいは、光の分布と温度の分布が必ずしも一致せず均一な結晶粒長が得られないという問題点がある。
【００１８】
具体的に例示すると、図８に示した強度分布が均一なレーザビームを、図１１に示す投影マスクによるスリットを用いて、スリットの長さ方向（図中Ｘの方向）に、スリット群Ｔ１，Ｔ２の１つ分の幅ｄだけ基板のステップ移動を行って結晶化を行う。この際、スリット群Ｔ１，Ｔ２で構成された領域は、それぞれ照射される際の、半導体膜の状態が異なることになる。すなわち、スリット群Ｔ１で構成された領域は、常に半導体薄膜上において初めに照射される領域であるため、常に照射領域全てが非晶質材料からなる。これに対して、スリット群Ｔ２で構成された領域は、通常、既にスリット群Ｔ１で結晶化された領域をある設定された量だけ重畳して結晶化を行うことで、スリット群Ｔ１で結晶化された領域を引き継ぎ、半導体膜全面において結晶化を行うため、スリット群Ｔ１で構成された領域とは異なり、照射領域は非晶質と多結晶とが入り混じった状態からなり、特にスリット群Ｔ２による結晶成長開始点は必ず多結晶領域からなる。
【００１９】
このとき、半導体膜が非晶質の状態と、多結晶の状態とでは、レーザビームの波長や半導体膜の材料にもよるが、一般には多結晶状態の方が、若干レーザビームの吸収が少なく、また融点が高いことから、定められたスリット幅よりも若干少ない幅で半導体膜が溶融し、結果、結晶粒長がスリット幅の１／２よりも短くなる。
【００２０】
他にも、熱的な影響として、スリット群Ｔ１で結晶化された領域とスリット群Ｔ２で結晶化された領域とは、それぞれレーザ照射回数が異なることになる。すなわち、スリット群Ｔ２で構成された領域は、既にスリット群Ｔ１により照射された後に照射されるため、これらの熱影響を受けた状態での照射となる。したがって、レーザビームの強度分布が均一に照射されても、基板上の温度分布としては不均一になることがある。
【００２１】
図１２（ａ）は、上記方法を用いて結晶化を行った際の、各スリット群によりレーザ照射された半導体薄膜上の結晶状態の一例を表したものである。各スリット群により照射された領域において結晶粒長が異なっており、先にスリット群Ｔ１で結晶化された領域に重畳して照射されたスリット群Ｔ２による結晶化領域の結晶粒長が、ちょうどスリットの幅方向中央部でぶつかる長さに設定された場合、スリット群Ｔ１で結晶化された領域は、照射方向全てが非晶質半導体であること、常に時間的に最初に照射されることから、結晶粒長がスリット幅中央部でぶつかる長さ以下しか成長せず、中央部に微結晶が形成される場合がある。このような場合、半導体装置としての特性が著しく低下してしまうため、一般的には結晶が成長しにくいスリット群Ｔ１において、必ずスリット幅中央部にて結晶がぶつかるようにレーザビームの照射エネルギーを増加させることを行う。しかしながら、この場合、スリット群Ｔ２に対しては、過剰なエネルギー量が照射されることとなるため、図１３（図１２（ｂ）の切断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩからみた断面図）に示すようにスリット群Ｔ１で形成されたリッジの高さと、スリット群Ｔ２で形成されたリッジの高さが異なることで、結晶表面の凹凸が激しくなり、均一な特性を有する半導体装置が作製できなくなる。あるいは、半導体薄膜作製におけるプロセスマージンが減少するなどの問題点が発生する。
【００２２】
そこで、上記課題を鑑みたかたちで、本発明者らは、複数のスリット群で結晶化を行う方法において、スリット群ごとに同一領域への照射回数が異なることによる基板温度分布の不均一性を考慮して、重ね照射回数の増加に伴いスリット幅を徐々に増加させていく発明を提案した（特開２００６−１３０５０号公報（特許文献６））。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６９号公報
【特許文献３】特開２００３−９２２６２号公報
【特許文献４】特開２００３−１５１９０７号公報
【特許文献５】特開２００４−３１８０９号公報
【特許文献６】特開２００６−１３０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、特許文献６で提案された方法でも、照射領域の被照射物に対する相対移動において、該走査方向における温度分布が小さいとき、具体的には、繰り返し照射の周期が系の温度時定数よりも遅いと、基板温度分布よりもスリット群により照射される前駆体半導体膜の状態が大きく影響する場合があることを見出した。すなわち、非晶質材料のみからなる領域に照射する場合と、多結晶材料を含み重畳した領域を照射する場合とで結晶長が異なるため、非晶質材料のみからなる部分（レーザ照射されていない部分）に照射した領域においてスリット中央部で結晶がぶつかりにくく、全体的に照射エネルギを強くする必要がある。このため、特許文献６で提案されたように、基板温度分布を考慮してスリット幅を変化させても均一な結晶を得るという課題解決が困難な場合があった。
【００２４】
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、その目的とするところは、基板上の全てのレーザビーム照射領域において結晶粒が均一な結晶性が非常に良好な半導体薄膜を製造することができるレーザ加工方法およびそのための結晶化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の結晶化装置は、レーザビームを照射するレーザ発振器と、前記レーザビームを透過する矩形状のスリットを有するレーザビーム投影マスクと、前記レーザビーム投影マスクのスリットを透過させたレーザビームを像として被照射物上に結像する結像手段と、被照射物を支持するステージと、前記像とステージとを相対的に移動させる移動手段と、レーザ発振器と移動手段とを制御する制御手段とを備え、前記レーザビーム投影マスクは、第１のスリットと、第１のスリットより幅の広い第２のスリットとを含み、前記制御手段は、被照射物上の前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のスリットの像を結像して、第１領域内の前駆体半導体材料を溶融するようにレーザ発振器を制御し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビーム投影マスクの像が結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、直前の第１領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第２のスリットの像を結像して前駆体半導体材料を溶融し、溶融した前記前駆体半導体材料を凝固させて結晶化する一連の工程を繰り返し行うように構成されたことを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、レーザビームを照射するレーザ発振器と、前記レーザビームを透過する矩形状のスリットを有するレーザビーム投影マスクと、前記レーザビーム投影マスクのスリットを透過させたレーザビームを像として被照射物上に結像する結像手段と、被照射物を支持するステージと、前記像とステージとを相対的に移動させる移動手段と、レーザ発振器と移動手段とを制御する制御手段とを備える結晶化装置であって、前記レーザビーム投影マスクは、第１のスリットと、第２のスリットと、第１のスリットおよび第２のスリットより幅の広い第３のスリットと、第１のスリットおよび第２のスリットより幅の広い第４のスリットと含んで構成され、前記制御手段は、被照射物上の前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のスリットの像を結像して、第１領域内の前駆体半導体材料を溶融するようにレーザ発振器を制御し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域とは重畳しない前駆体半導体材料からなる層上の第２領域内に第２のスリットの像を結像して第２領域内の前駆体半導体材料を溶融するようにレーザ発振器を制御し、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域および第２領域と部分的に重畳する第３領域内に第３のスリットの像を結像して第３領域内の前駆体半導体材料を溶融させて結晶化した後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域および第２領域と部分的に重畳する第４領域内に第４のスリットの像を結像して第４領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した前駆体半導体材料を凝固させて結晶化させる一連の工程を繰り返し行うように構成された結晶化装置についても提供する。
【００２７】
また、本発明は、前駆体半導体材料からなる層に、透過部が矩形状のスリット群で構成された、レーザビーム投影マスクによって投影されたレーザビームを照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、前記前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化し、前駆体半導体材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、前駆体半導体材料からなる層の表面上における前記レーザビームの照射と前記レーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行う方法であり、レーザビーム投影マスクとして、前駆体半導体材料のみからなる領域にレーザビームが照射される第１領域において、マスク透過部の矩形状のスリットの幅が、他の領域に比べ狭いものを用いることを特徴とするレーザ加工方法についても提供する。
【００２８】
さらに本発明は、前駆体半導体材料からなる層に、透過部が矩形状のスリット群で構成された、レーザビーム投影マスクによって投影されたレーザビームを照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、前記前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域とは重畳しない前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に前記レーザビームを照射して第２領域内の前駆体半導体領域を溶融し、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、第１領域および第２領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第３領域を定め、第３領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、第１領域および第２領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第４領域を定め、第４領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化させる一連の工程を繰り返し行う方法であり、レーザビーム投影マスクとして、前駆体半導体材料のみからなる領域にレーザビームが照射される第１領域において、マスク透過部の矩形状のスリットの幅が、他の領域に比べ狭いものを用いることを特徴とするレーザ加工方法についても提供する。
【００２９】
本発明のレーザ加工方法において、前記投影マスクに投影されるレーザビームを第１のレーザビームとし、該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させることが、好ましい。
【００３０】
また本発明のレーザ加工方法における前記前駆体半導体材料は、非晶質材料であることが好ましい。
【００３１】
また、本発明のレーザ加工方法においては、繰り返し照射の周期が、系の温度時定数よりも遅いことが、好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、各ステップの照射領域において形成されたスリット群のスリット幅が異なり、常に非晶質材料のみからなる領域に照射されるスリット幅を、先に結晶化された領域と部分的に重畳する領域に照射されるスリット分よりも狭くすることで、基板上の全てのレーザビーム照射領域において均一な結晶粒が得られる。このことにより、このような本発明のレーザビーム投影マスクを用いた本発明のレーザ加工方法では、過剰なエネルギーを投入することなく、結晶表面の凹凸が低減し、結晶方位が均一となるため、結晶性が非常に良好な半導体薄膜を得ることができる。また、本発明によれば、レーザエネルギの照射マージンが増加し、安定した半導体膜の製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
〔１〕第１の実施態様の結晶化装置
図１は、本発明の第１の実施態様の結晶化装置１を概念的に示す図であり、図２は、本発明の第１の実施態様の結晶化装置１に好適に用いられ得るレーザビーム投影マスクＭを模式的に示す図である。本発明の第１の実施態様の結晶化装置１は、図１に示すように、レーザビーム６を照射するレーザ発振器２と、前記レーザビーム６を透過する矩形状のスリット群を有するレーザビーム投影マスクＭと、前記レーザビーム投影マスクＭのスリット群を透過させたレーザビーム６を像として被照射物２１上に結像する結像手段（結像レンズ）３と、被照射物２１を支持するステージ４と、前記像とステージ４とを相対的に移動させる移動手段（図示せず）と、レーザ発振器２と移動手段とを制御する制御手段５とを基本的に備える。
【００３４】
本発明の結晶化装置１におけるレーザ発振器２は、レーザビーム６を放出し、シリコンを溶融することが可能であるレーザ発振器であれば、特に限定されるものではないが、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の紫外域の波長を有するレーザ発振器であることが望ましい。なお、これらの中でも、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が特に好ましい。
【００３５】
本発明の結晶化装置１においては、レーザビーム６として、固体状態にある半導体膜への吸収率が高い範囲の波長を有するものを用いることが好ましい。より具体的には、レーザビーム６は、紫外域の波長を有することが好ましい。このようなレーザビーム６としては、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスが挙げられる。また、レーザビーム６は、固体状態にある半導体膜を溶融させるエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないため、適宜適当なエネルギー量を有するレーザビーム６を用いることが望ましい。具体的には、半導体膜を、全膜厚において融点以上の温度に加熱することのできるエネルギー量を有するレーザビーム６を用いることが推奨される。
【００３６】
図１に示す結晶化装置１において、レーザビーム６は、レーザ発振器２より出射された後、可変減衰器７、焦点視野レンズ８を通過後、レーザビーム投影マスクＭを通り、結像手段３を通って、被照射物２１の上面に対し垂直な方向から入射するように構成される。
【００３７】
ここで、図３は、本発明の第１の実施態様の結晶化装置１における被照射物２１を模式的に示す側面図である。本発明において用いられる被照射物２１は、非晶質材料からなる層を有している半導体デバイスであるならば特に制限されるものではなく、非晶質材料からなる層自体で基板を形成するように実現されていてもよいし、また、基板上に非晶質材料からなる層が形成されるように実現されてもよい。図３には、被照射物２１が、基板（透明基板）２２上に下地膜（下地層）２４を介して非晶質状態の半導体膜（前駆体半導体材料からなる層）２３が形成されてなる積層構造を備えた例の半導体デバイスで実現された例を示している
図３に示す例において、基板２２としては、たとえばガラス基板、石英基板などが用いられる。中でも、価格的に有利な面から、ガラス基板が好ましい。また、下地膜２４は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＡｌＮなどからなる誘電体材料で形成される。各層の厚みは特に制限されるものではないが、たとえば下地膜２４が１００ｎｍ、非晶質状態の半導体膜２３が５０ｎｍである場合が例示される。なお、下地膜２４は、たとえば蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより基板２２上に積層することができる。また、非晶質状態の半導体膜２３は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）、蒸着、またはスパッタリングなどにより下地膜２４上に積層することができる。
【００３８】
ここで、本発明の結晶化装置１において、レーザビーム６は、たとえば所定のパターンを形成したマスクの像を被照射物２１上にレーザビーム６の照射領域として縮小投影するように照射させてもよい。
【００３９】
しかしながら、従来のように、均一光学系によって均一なビーム形状に変形させたレーザビームを被照射物に入射させて均一な結晶粒長を得ようとする場合、結晶化そのものに関わるパラメータは、被照射物の半導体膜に吸収されるレーザビームのエネルギー量と、それによって発生した熱である。このため、結晶化領域を引き継ぐために高速で走査させると、照射される半導体膜の状態や、重ね合わせの回数の違いにより、結晶化領域上での、レーザビームにより溶融幅が異なる、または、光の分布と温度の分布が必ずしも一致せず均一な結晶粒長が得られないという問題が従来あった。
【００４０】
このため、本発明の第１の実施態様の結晶化装置１では、第１のスリットと、第１のスリットより幅の広い第２のスリットを有するように構成されたレーザビーム投影マスクを用いて、次のようにして結晶化を行うことを特徴とする。まず、レーザ発振器２よりにレーザビーム６を出射させ、被照射物２１上の非晶質状態の半導体膜（前駆体半導体材料からなる層）２３上の予め定められた第１領域内に対し第１のスリットの像を結像し、当該第１領域内の前記半導体膜２３を溶融させた後、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて、結晶化させる。次に、前記レーザビーム投影マスクの像が結像されるべき領域を予め定められる距離移動するように前記移動手段を制御し、直前の第１領域と部分的に重畳するように半導体膜２３上に新たな第２領域を定める。そして、当該第２領域内に第２のスリットの像を結像して当該第１領域内の前記半導体膜２３を溶融させた後、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて、結晶化させる。本発明の結晶化装置１は、このような一連の工程を行い得るよう、前記制御手段５にてレーザ発振器２および移動手段を制御するよう構成されてなるものである。
【００４１】
このような本発明の第１の実施態様の結晶化装置１によれば、常に非晶質材料のみからなる領域にレーザビームを照射するための第１のスリットの幅が、第１のスリットを介したレーザビームの照射により既に結晶化された領域と部分的に重畳するようにレーザビームを照射するための第２のスリットの幅よりも狭く形成されたレーザビーム投影マスクを用いて、上述した手順にて結晶化を行うように構成されている。このため、基板上の全てのレーザビームを照射する領域において、各スリットの幅の中央部でちょうど結晶成長が完了する均一な結晶粒が得られる。これによって、過剰なエネルギーを投入することなく、結晶表面の凹凸を低減でき、結晶方位が均一となるため、結晶性が非常に良好な半導体薄膜を製造することができる。また本発明の第１の実施態様の結晶化装置１では、上述したスリット幅をそれぞれ有する第１のスリットおよび第２のスリットを有するレーザビーム投影マスクを用いていることによって、レーザエネルギーの照射マージンが増加し、安定した半導体薄膜の製造が可能となるという利点もある。
【００４２】
ここで、図２には、本発明の第１の実施態様の結晶化装置１に好ましく用いられる一例のレーザビーム投影マスクＭを示しているが、図２に示す例のレーザビーム投影マスクＭは、上述した第１のスリット１１が一方向に沿って複数配列された第１のスリット群Ｓ１と、当該第１のスリット群Ｓ１と平行に第２のスリット１２が複数配列された第２のスリット群Ｓ２を有するように構成されている。図２に示す例では、第１のスリット群Ｓ１における各第１のスリット１１はいずれも同じ幅Ｄ１を有する矩形状のスリットであり、また第２のスリット群Ｓ２における各第２のスリット１２はいずれも同じ幅Ｄ２を有する矩形状のスリットであり、かつ、第２のスリット１２の幅Ｄ２は第１のスリット１１の幅Ｄ１よりも大きく形成されている。さらに、第２のスリット１２は、レーザビーム投影マスクＭを方向Ｘにスリット１個分の距離だけ移動させた際に、第１のスリット１１が位置していた領域内にその一部が重畳し得るような位置に形成されてなる。
【００４３】
図２に示すレーザビーム投影マスクＭを用いる場合、第１のスリット群Ｓ１が、予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して先頭部分となるように、方向Ｘにスリット１個分の距離だけ移動させて、順次前駆体半導体材料の溶融、凝固および結晶化を行う。この際、レーザビーム投影マスクＭは、第１のスリット１１の幅Ｄ１と第２のスリット１２の幅Ｄ２が異なるため、同一のエネルギーのレーザビームを照射した場合、照射領域における各スリット群の像の幅方向中央部までラテラル成長される。具体的には、図２中の方向Ｘに移動させる場合、第１のスリット群Ｓ１による照射領域（第１の領域）は、常に全て非晶質材料のみからなる領域である。これに対し、第２のスリット群Ｓ２による照射領域（第２の領域）は、先に第１のスリット群Ｓ１を介してレーザビームが照射され、溶融後に凝固して結晶化された領域（第１の領域）と一部重畳する形で結晶化が行われる。このため、第１のスリット群Ｓ１を介して照射する場合と第２のスリット群Ｓ２を介して照射する場合とで同じエネルギーを有するレーザビームを照射すると、第１のスリット群Ｓ１の方がラテラル成長した結晶がスリットの幅方向中央でぶつかりにくい。
【００４４】
本発明の第１の実施態様の結晶化装置１においては、また、スリットが矩形状に形成されたレーザビーム投影マスクを用いてなることで、スリットの幅方向と平行に、ラテラル成長を一様に行うことができ、当該方向に沿って半導体デバイスのチャネルを形成することで、非常に特性の高い半導体デバイスを作製することができる。
【００４５】
〔２〕第２の実施態様の結晶化装置
また本発明の結晶化装置は、第１のスリットと、第２のスリットと、第１のスリットおよび第２のスリットより幅の広い第３のスリットと、第１のスリットおよび第２のスリットより幅の広い第４のスリットと含んで構成されたスリット群を有するレーザビーム投影マスクを用いて、次のようにして結晶化を行うものであってもよい。このような本発明の結晶化装置（本発明の第２の実施態様の結晶化装置）は、レーザビーム投影マスクとして上述した第１〜第４のスリットを有するものを用いること以外は、図１に示した第１の実施態様の結晶化装置１と同様の基本構成によって実現することができる。
【００４６】
本発明の第２の実施態様の結晶化装置は、次のような手順で結晶化を行う。まず、レーザ発振器２よりにレーザビーム６を出射させ、被照射物２１上の非晶質状態の半導体膜（前駆体半導体材料からなる層）２３上の予め定められた第１領域内に対し第１のスリットの像を結像し、当該第１領域内の前記半導体膜２３を溶融させた後、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて、結晶化させる。次に、前記レーザビーム投影マスクの像が結像されるべき領域を予め定められる距離移動するように前記移動手段を制御し、直前の第１領域とは重畳しない非晶質状態の半導体膜（前駆体半導体材料からなる層）２３上に新たな第２領域を定める。そして、当該第２領域内に第２のスリットの像を結像して当該第１領域内の前記半導体膜２３を溶融させた後、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて、結晶化させる。その後さらに、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域および第２領域と部分的に重畳する第３領域内に第３のスリットの像を結像して第３領域内の前駆体半導体材料を溶融させて結晶化する。その後、前記投影マスクの像を結像されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動するよう移動手段を制御し、第１領域および第２領域と部分的に重畳する第４領域内に第４のスリットの像を結像して第４領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した前駆体半導体材料を凝固させて結晶化させる。本発明の結晶化装置は、このような一連の工程を行い得るよう、前記制御手段５にてレーザ発振器２および移動手段を制御するよう構成されてなるものである。
【００４７】
このような本発明の第２の実施態様の結晶化装置によっても、常に非晶質材料のみからなる領域にレーザビームを照射するための第１のスリットおよび第２のスリットの幅が、第１のスリットおよび第２のスリットを介したレーザビームの照射により既に結晶化された領域と部分的に重畳するようにレーザビームを照射するための第３のスリットおよび第４のスリットの幅よりも狭く形成されたレーザビーム投影マスクを用いて、上述した手順にて結晶化を行うように構成されている。このため、基板上の全てのレーザビームを照射する領域において、各スリットの幅の中央部でちょうど結晶成長が完了する均一な結晶粒が得られる。これによって、過剰なエネルギーを投入することなく、結晶表面の凹凸を低減でき、結晶方位が均一となるため、結晶性が非常に良好な半導体薄膜を製造することができる。また本発明の結晶化装置では、上述したスリット幅をそれぞれ有する第１のスリット、第２のスリット、第３のスリットおよび第４のスリットを有するレーザビーム投影マスクを用いていることによって、レーザエネルギーの照射マージンが増加し、安定した半導体薄膜の製造が可能となるという利点もある。
【００４８】
ここで、図４は、上述した本発明の結晶化装置に好適に用いられるレーザビーム投影マスクＭ’を模式的に示す図である。図４に示す例のレーザビーム投影マスクＭ’は、同一のエネルギーを有するレーザビームを用いて、各スリットの像の幅方向中央部にまでラテラル成長するように、各スリットの幅を変化させた点は図２に示した例のレーザビーム投影マスクＭと同様である。ただし、図２に示した例のレーザビーム投影マスクＭは２つのスリット群Ｓ１、Ｓ２を有するように構成されているのに対し、図４に示す例のレーザビーム投影マスクＭ’は、４つのスリット群Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’，Ｓ４’を有するように構成されている点で異なる。これは、レーザビーム投影マスクの透過部（スリットが形成された部分）と遮光部（スリットが形成された部分以外の部分）との幅の関係、特に遮光部の幅が光学解像度限界以下となる場合に、遮光部の幅を確保するためにスリット群を４つの領域に分割することを目的としており、この場合は、非晶質材料にのみ照射される領域を有する２つのスリット群Ｓ１’，Ｓ２’が、他の２つのスリット群Ｓ３’，Ｓ４’と比較してスリット幅が狭く形成されたことを特徴としている。
【００４９】
すなわち、図４に示す例のレーザビーム投影マスクＭ’は、上述した第１のスリット３１が一方向に沿って複数配列された第１のスリット群Ｓ１’と、第２のスリット３２が複数配列された第２のスリット群Ｓ２’と、第３のスリット３３が複数配列された第３のスリット群Ｓ３’と、第４のスリット３４が複数配列された第４のスリット群Ｓ４’とが形成されている。第１のスリット群Ｓ１’〜第４のスリット群Ｓ４’は、いずれも互いに平行に配列されており、第１のスリット群Ｓ１’における各第１スリット３１および第２スリット群Ｓ２’における各第２スリット３２はいずれも同じ幅Ｄ１を有する矩形状のスリットであり、また、第３のスリット群Ｓ３における各第３スリット３３および第４スリット群Ｓ４’における各第４スリット３４はいずれも同じ幅Ｄ２を有する矩形状のスリットに形成されている。また、第３のスリット３３および第４のスリット３４の幅Ｄ２は、第１のスリット３１および第２のスリット３２の幅Ｄ１よりも大きく形成されている。さらに、第３のスリット３３および第４のスリット３４は、それぞれ、レーザビーム投影マスクＭ’を方向Ｘにスリット２個分の距離だけ移動させた際に、第１のスリット３１および第２のスリット３２とそれぞれ部分的に重畳するような位置に形成されている。
【００５０】
図４に示すレーザビーム投影マスクＭ’を用いる場合、第１のスリット群Ｓ１’および第２のスリット群Ｓ２’が、予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して先頭部分となるように、方向Ｘに移動させて、順次前駆体半導体材料の溶融、凝固および結晶化を行う。この際、レーザビーム投影マスクＭ’は、第１のスリット群Ｓ１’および第２のスリット群Ｓ２’と、第３のスリット群Ｓ３’および第４のスリット群Ｓ４’との間で幅が異なるため、同一のエネルギーのレーザビームを照射した場合、照射領域における各スリット群の像の幅方向中央部までラテラル成長される。具体的には、図４中の方向Ｘに移動させる場合、第１のスリット群Ｓ１’および第２のスリット群Ｓ２’による照射領域（第１の領域および第２の領域）は、常に全て非晶質材料のみからなる領域である。これに対し、第３のスリット群Ｓ３’および第４のスリット群Ｓ４’による照射領域（第３の領域および第４の領域）は、先に第１のスリット群Ｓ１’および第２のスリット群Ｓ２’を介してレーザビームが照射され、溶融後に凝固して結晶化された領域（第１の領域および第２の領域）と一部重畳する形で結晶化が行われる。このため、第１のスリット群Ｓ１’および第２のスリット群Ｓ２’を介して照射する場合と、第３のスリット群Ｓ３’および第４のスリット群Ｓ４’を介して照射する場合とで同じエネルギーを有するレーザビームを照射すると、第１のスリット群Ｓ１’および第２のスリット群Ｓ２’の方がラテラル成長した結晶がスリットの幅方向中央でぶつかりにくい。
【００５１】
〔３〕レーザ加工方法
また本発明は、前駆体半導体材料からなる層に、透過部が矩形状のスリット群で構成された、レーザビーム投影マスクによって投影されたレーザビームを照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させる、以下のようなレーザ加工方法も提供するものである。すなわち、本発明のレーザ加工方法では、前記前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化し、前駆体半導体材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、前駆体半導体材料からなる層の表面上における前記レーザビームの照射と前記レーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行う。このような本発明のレーザ加工方法では、レーザビーム投影マスクとして、前駆体半導体材料のみからなる領域にレーザビームが照射される第１領域において、マスク透過部の矩形状のスリットの幅が、他の領域に比べ狭いものを用いることを大きな特徴とする。本発明のレーザ加工方法は、上述した本発明の第１の実施態様の結晶化装置１を用いて好適に行うことができるが、本発明の第１の実施態様の結晶化装置１を用いた方法に限定されるものではない。
【００５２】
また本発明は、前駆体半導体材料からなる層に、透過部が矩形状のスリット群で構成された、レーザビーム投影マスクによって投影されたレーザビームを照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させる、以下のようなレーザ加工方法も提供するものである。すなわち、本発明のレーザ加工方法では、前記前駆体半導体材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して前記レーザビームを照射して第１領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域とは重畳しない前駆体半導体材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に前記レーザビームを照射して第２領域内の前駆体半導体領域を溶融し、溶融した第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、前記レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、第１領域および第２領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第３領域を定め、第３領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化した後、第１領域および第２領域と部分的に重畳するように前駆体半導体材料からなる層上に新たな第４領域を定め、第４領域内に前記レーザビームを照射して第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を溶融し、溶融した第１領域内および第２領域内の前駆体半導体材料を凝固させて結晶化させる一連の工程を繰り返し行う。このような本発明のレーザ加工方法では、レーザビーム投影マスクとして、前駆体半導体材料のみからなる領域にレーザビームが照射される第１領域および第２領域において、マスク透過部の矩形状のスリットの幅が、他の領域に比べ狭いものを用いることを大きな特徴とする。本発明のレーザ加工方法は、上述した本発明の第２の実施態様の結晶化装置を用いて好適に行うことができるが、本発明の第２の実施態様の結晶化装置を用いた方法に限定されるものではない。
【００５３】
なお、本発明のレーザ加工方法においては、前記投影マスクに投影されるレーザビームを第１のレーザビームとし、該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射して前記前駆体半導体材料を結晶化させることが、好ましい。このように、第２のレーザビームを同時照射することによって、第１のレーザビームの照射により溶融した半導体薄膜の急冷が第２のレーザビームの照射により防止され、より長い針状結晶をラテラル成長させることができるという利点がある。
【００５４】
この場合、第１のレーザビームを照射するレーザ光源としては上述したものを好ましく使用することができる。また、第２のレーザビームを照射するためのレーザ光源としてはたとえば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなどが挙げられ、中でもガラス基板に対する吸収率が高い波長を有しており、瞬時に基板温度を高くすることが可能であることから、炭酸ガスレーザが好ましい。
【００５５】
また本発明のレーザ加工方法において、前記前駆体半導体材料が非晶質材料であることが、好ましい。
【００５６】
また、本発明のレーザ加工方法では、繰り返し照射の周期が、系の温度時定数よりも遅いことが好ましい。ここで、「系の温度時定数」とは、レーザビームの照射により半導体薄膜およびガラス基板の温度が上昇した後、冷却により温度が下降し、レーザ照射前の温度に戻るまでに要する時間を指す。このように、繰り返し照射の周期を系の温度時定数よりも遅くすることで、レーザビームの照射回数の違いによる温度分布の不均一性が結晶粒長の不均一化に及ぼす影響をなくすことができるという利点がある。
【００５７】
本発明の結晶化装置または本発明のレーザ加工方法により形成された膜は、従来公知の適宜の処理を行うことでトランジスタに形成することができ、液晶パネルなどの液晶素子として用いることが可能である。この場合、結晶粒が従来の場合より均一となり、高性能の素子が得られる。また非晶質材料は、アモルファスシリコンが好ましいが、これに限定されることなく、非晶質のゲルマニウムやそれらの合金であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の好ましい一例の結晶化装置１を概念的に示す図である。
【図２】本発明の結晶化装置１に好適に用いられ得るレーザビーム投影マスクＭを模式的に示す図である。
【図３】本発明の結晶化装置１における被照射物２１を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明の結晶化装置１に好適に用いられ得る他の例のレーザビーム投影マスクＭ’を模式的に示す図である。
【図５】従来の典型的な一例の結晶化装置を模式的に示す図である。
【図６】従来用いられてきた半導体デバイス１０１を模式的に示す側面図である。
【図７】従来の結晶成長方法の典型的な一例を段階的に示す模式図である。
【図８】従来の理想的なビーム形状を模式的に示す図である。
【図９】図９（ａ）は、従来のレーザビーム投影マスクの典型的な一例を示す図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すマスクを用いて成長させた結晶を模式的に示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、従来のレーザビーム投影マスクの典型的な他の例を示す図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すマスクを用いて成長させた結晶を模式的に示す図である。
【図１１】従来のレーザビーム投影マスクの典型的なさらに他の例を示す図である。
【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は、図１１に示すマスクを用いて成長させた結晶を模式的に示す図である。
【図１３】図１２（ｂ）の切断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩからみた断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  結晶化装置、２  レーザ発振器、３  結像手段、４  ステージ、５  制御手段、６  レーザビーム、７  可変減衰器、８  焦点視野レンズ、１１  第１のスリット、１２  第２のスリット、Ｍ，Ｍ’  レーザビーム投影マスク、Ｓ１  第１のスリット群、Ｓ２  第２のスリット群、２１  被照射物、２２  基板、２３  非晶質状態の半導体膜、２４  下地膜、３１  第１のスリット、３２  第２のスリット、３３  第３のスリット、３４  第４のスリット、Ｓ１’  第１のスリット群、Ｓ２’  第２のスリット群、Ｓ３’  第３のスリット群、Ｓ４’  第４のスリット群。
【図１】
2008147236.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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