(57)【要約】【課題】絶縁材からなる基層上に、結晶性の優れた半導体薄膜を形成する。【解決手段】光源であるエキシマレーザ１と、該エキシマレーザ１から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ３と、ホモジナイザ３によって光強度分布が均一化された光の振幅が、光の非晶質基板９に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調マスク５と、振幅変調マスク５によって振幅が変調された光を、非晶質基板９上に形成された非単結晶半導体層１０上に、所定の照射エネルギーが得られるように投射する投射光学系６と、光の照射面内で温度の低い点を設ける位相シフトマスク８と、光と非晶質基板９とを相対的に動かすＸ、Ｙ方向に走査可能な基板ステージを有する。【選択図】図１
2008294466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、
前記光の光強度分布を均一化し、
前記光強度分布が均一化された光の振幅変調を行い、
前記振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射して単結晶領域を形成することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項２】
絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成装置であって、
前記光を発する光源と、
前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、
このホモジナイザの出射光路に設けられ前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅変調を行う振幅変調手段と、
この振幅変調手段の出射光路に設けられ前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系とを有することを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項３】
絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成装置であって、
前記光を発する光源と、
前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、
このホモジナイザの出射光路に設けられ前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅変調を行う振幅変調手段と、
この振幅変調手段の出射光路に設けられ前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系と、
前記光の照射面内で温度の低い点を設ける手段とを有することを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項４】
絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を結晶化する結晶化方法において、
前記光の光強度分布を均一化し、
前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、
前記振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射し、
前記光の照射面内で温度の低い点を設け、結晶成長の起点を生成し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を形成して単結晶領域を形成することを特徴とする結晶化方法。
【請求項５】
絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、
前記光は、エキシマレーザ光の光強度分布を均一化し、
前記光強度分布が均一化されたエキシマレーザ光を照射面内で温度の低い点を設けるように変調して、第１のショット光を前記非単結晶半導体層上に投射し、前記第１のショット光に引き続き第２のショットを一部重ね合わせて照射することを特徴とする結晶化方法。
【請求項６】
絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を結晶化する結晶化装置において、
前記光を発する光源と、
前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、
このホモジナイザの出射光路に設けられた前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段と、
この振幅変調手段の出射光路に設けられた前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系と、
前記光の照射面内で温度の低い点を設ける手段と、
前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有することを特徴とする結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁材からなる基層上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置、結晶化方法および結晶化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁材からなる基層として、例えば、非晶質基板、特に安価なガラス基板を用い、該基板上に高性能な半導体薄膜、例えばシリコン（Ｓｉ）薄膜を形成するには、ＵＶ（紫外線）パルスレーザによる結晶化法が優れていることが示され、実用化に至っている。  
しかし現在、実用化されている技術によって得られるシリコン薄膜は、平均結晶粒径が数百ｎｍの多結晶薄膜であり、移動度も結晶粒界に律速されて、せいぜい２００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃである。  
これらの薄膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）では、性能バラツキなどを考慮すると、トランジスタのチャネル長Ｌは、平均結晶粒径の１０倍以上の数μｍ程度にする必要を生じ、結果として、遮断周波数はせいぜい５ＭＨｚ程度の駆動回路が設計できる程度である。  
より高性能な駆動回路、例えば、１００ＭＨｚ程度で駆動できるものを設計しようとする場合には、おおざっぱな計算では、チャネル長Ｌを１μｍ、移動度３００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度の薄膜トランジスタが必要で、かつ性能バラツキがあってはならない。すなわち、非晶質基板上に形成する半導体薄膜（Ｓｉ薄膜）は、結晶粒径が１μｍ以上で、かつ、チャネル内には結晶粒界がないものが要求される。  
以上の要求を満足させる方法として、ＳＬＳ（Sequential  Lateral  Solidification）法や位相シフトマスク結晶化法などが提案されている。  
前者の方法は、ＳＬＧ（Super  Lateral  Growth）現象と、ステージによるステップ アンド リピートとを組合わせたものである。
【０００３】
《第１の従来技術》
図７は、この第１の従来技術を説明する図である。  
７１はエキシマレーザ、７２は出射ビーム、７３はホモジナイザ、７４はラインビーム（均一化レーザ光）、７５は非晶質基板、７６は非単結晶半導体層、７７は多結晶化半導体層である。  
従来、液晶などのディスプレイに用いられる薄膜トランジスタ用の半導体薄膜は、アモルファスシリコン薄膜であった。通常、アモルファスシリコンの移動度は、約１ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであるが、アクティブマトリックス用液晶パネルのスイッチングトランジスタに用いるには十分な性能である。しかしながら、近年、ガラス基板上の薄膜トランジスタの高性能化が研究開発されて、ガラス基板上でも１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃのものが実用になってきた。その技術が、図７に示したエキシマレーザによるアモルファスシリコンの結晶化技術である。この技術によって得られる薄膜は、約３００〜５００ｎｍ程度の結晶粒径を持つ多結晶薄膜である。エキシマレーザによる結晶化は、２０ｎｓｅｃ程度の短時間に紫外線をシリコン薄膜に照射して、シリコン薄膜のみ溶融−凝固過程を経て結晶化させる技術であり、基板に熱的ダメージのない低温プロセスである。  
図７に示す装置において、光源としては、ＸｅＣｌ（波長：３０８ｎｍ）などの高出力パルスレーザを用いる。量産に用いるレーザの出射形状は、例えば２ｃｍ×１ｃｍの矩形の形状である。通常は、その形状のビームをホモジナイザ７３を用いて、２０ｃｍ×３００〜５００μｍのラインビームに成形するとともに、光強度の均一化を図ったものを用いる。液晶ディスプレイ用母材ガラスは、１０〜２０μｍのピッチで搬送して、母材ガラス板上に形成されたアモルファスシリコン膜全面を結晶化する。  
図８は、図７の第１の従来技術における光学系を示す図である。  
７２はエキシマレーザの出射ビーム、８１はホモジナイザ（図７の７３）のフライアイレンズ、７４はラインビーム、８２はビームの投射光学系（図７では、図示省略）である。  
エキシマレーザの出射ビーム７２は、上述のように例えば２ｃｍ×１ｃｍであり、通常の固体レーザに比べ、かなり均一な光源ではあるが、エッジ近傍では図８中に示すように緩やかな光強度の低下がある。この第１の従来技術において用いられているホモジナイザ７３（図７）は、例えば図８に示すように、フライアイレンズ８１を用いて分割し、ビーム形状を変化させるとともに、ビーム強度の均一性を改善することができる。図８のようにして得られたラインビーム７４を上述のように１０〜２０μｍのピッチで走査して大面積基板の結晶化に対応している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図７、図８に示した第１の従来技術、あるいは従来技術をもとにして高性能なＳｉ結晶化膜を得るためにＳＬＧ領域を利用する技術では、
１）原理的にＳＬＧの長さ（せいぜい１μｍ）以上の送りピッチでは、ステップ アンド リピートできないので、生産性が悪い。  
２）この方法で得られる多結晶薄膜では、移動度に限界があり、このまま結晶粒界位置を制御することなく、結晶粒径を大きくしても、面内バラツキが増大して実用にならない。  
３）走査方向に残留結晶粒界がほぼ数百ｎｍ毎に存在し、走査方向に垂直方向には送りピッチ毎に結晶欠陥が存在するため、チャネル長１μｍの薄膜トランジスタへの応用を考えたときには現状では適さない。
【０００５】
《第２の従来技術》
上記位相シフトマスク結晶化法は、人為的に位相シフトマスクを用いて、基板面上に照射強度の傾きを設けることで、結晶のラテラル（横方向）成長を制御し、大結晶粒の結晶を得ようとする方法である。特に、この方法については、松村らによって基本コンセプトが公開され、原理検証が行われている。  
例えば、「エキシマレーザを用いた巨大結晶粒Ｓｉ薄膜の形成」（表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000）
図９（ａ）は、この第２の従来技術を説明する図、図９（ｂ）は、図９（ａ）の一部拡大詳細図である。  
図９（ａ）において、９１はエキシマレーザ、９２は出射ビーム、９３はビーム強度（寸法）変換光学系、９４、９５は位相シフトマスク、９６は非晶質基板、９７は非単結晶半導体層、図９（ｂ）において、９８は結晶成長の起点、９９は単結晶粒である。  
近年、上記第１の従来技術で述べたように、ガラス基板上の薄膜トランジスタの高性能化によって、ガラス基板上でも移動度１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃのものが実用となり、駆動回路などが画素薄膜トランジスタと同一基板上に集積できるようになった。しかし、さらに液晶パネルなどのシステム化を図るためには、さらに高性能で特性バラツキのない薄膜トランジスタの材料が求められる。図９に示す第２の従来技術は、その目的のために結晶粒径（５μｍ程度）の制御と、結晶粒界の位置制御を行うための技術である。光源としては、基本的には、エキシマレーザ９１からの出射ビーム９２をそのまま用いるが、光強度が充分得られないときは、ビーム強度変換光学系９３（後で図１０を用いて詳述）を用いてビーム形状を変換して用いる。また、光強度を２次元的に変調することが、この技術の重要な点であるが、直交する位相シフトマスク９４、９５を用いて、位相シフトマスク９４による図中の矢印Ａ方向（基板走査方向）での比較的緩やかな変調（１０μｍピッチ）と、位相シフトマスク９５による矢印Ｂ方向（基板走査方向に垂直な方向）での変調（現状で実証されているのは２０μｍピッチ）とを組み合わせて、図９（ｂ）に示す結晶成長の起点９８を生じさせて、矢印Ａ方向に結晶のラテラル成長を誘起する（後で図１１を用いて詳述）。  
図１０は、図９の第２の従来技術におけるレーザ照射光学系を示す図である。  
９２はエキシマレーザの出射ビーム、９３はビーム強度変換光学系、１００はマスク（絞り）である。  
既に述べたが、エキシマレーザの出射ビーム９２は、例えば２ｃｍ×１ｃｍであり、通常の固体レーザに比べ、かなり均一な光源ではあるが、エッジ近傍では図１０中に示すように緩やかな光強度の低下がある。この第２の従来技術では、位相シフトマスク９４、９５を用いるので、ビームの空間的コヒーレンスが求められるために、図９に示したような単レンズあるいは単レンズの組み合わせの光学系を用いる必要がある。照射強度を変換するためには、図１０に示すようにビーム強度変換光学系９３を用いてビーム径を変換する。これにより、ビームの空間コヒーレンスは保たれるが、ビームの均一性が改善されることがない。これが、この技術での問題点である。したがって、図１０に示したようなマスク１００（絞り）を設け、光の利用効率は低下させるが、均一性を向上させる手段を用いている。  
図１１（ａ）は、図９の第２の従来技術における光変調光学系を示す図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の一部拡大詳細図である。  
図１１（ａ）において、９４、９５は位相シフトマスク、９６は非晶質基板、９７は非単結晶半導体層、９０はエキシマレーザ光、図１１（ｂ）において、９８は結晶成長の起点、９９は単結晶粒である。  
この第２の従来技術では、光強度を２次元的に変調することが技術の重要な点であることを述べた。図１１（ａ）に示すように、エキシマレーザ光９０に位相シフトマスク９４（Ｙシフタ）によって、図１１（ｂ）の(2)(図では丸付き数字)に示すような光強度変調を生じさせ、位相シフトマスク９５（Ｘシフタ）によって、図１１（ｂ）の(3)(図では丸付き数字)に示すような光強度変調を生じさせることができる。これらの分離され、直交する位相シフトマスク９４、９５の両者の重ね合わせによって、図１１（ｂ）に示すような位置制御型の単結晶粒９９を成長させることができる。  
しかしながら、図９〜図１１に示した第２の従来技術では、
１）人為的に位相シフトマスク９４、９５で照射強度に傾きを設けるので、約５〜１０μｍ程度のラテラル成長を実現できるが、単結晶化できない領域が必ず存在するため、高密度に形成できない。  
２）位相シフトマスク９４、９５を用いるので、照射光に可干渉性が要求されるため、レーザの平行ビームが必要となる。現状の高出力が得られるエキシマレーザでは、発散角を有しており、位置精度とラテラル成長の長さとの関係においてトレードオフ関係がある。加えて、平行ビーム系を扱うために、ビームの振幅の均一性は、レーザ発振器を出射した直後のビームの振幅強度分布に依存している。
【０００６】
このため、結晶化領域の位置精度面や高密度化に課題があり、レーザ照射領域内での均一性と照射面積との間でトレードオフ関係となり、実用上その生産性が問題となる。  
本発明の目的は、絶縁材からなる基層上に、結晶性の優れた半導体薄膜を形成する半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置、結晶化方法および結晶化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅変調を行い、前記振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射して単結晶領域を形成することを特徴とする。
【０００８】
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成装置であって、前記光を発する光源と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザの出射光路に設けられ前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅変調を行う振幅変調手段と、この振幅変調手段の出射光路に設けられ前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成装置であって、前記光を発する光源と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザの出射光路に設けられ前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅変調を行う振幅変調手段と、この振幅変調手段の出射光路に設けられ前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系と、前記光の照射面内で温度の低い点を設ける手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を結晶化する結晶化方法において、前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、前記振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射し、前記光の照射面内で温度の低い点を設け、結晶成長の起点を生成し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を形成して単結晶領域を形成することを特徴とする。
【００１１】
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、前記光は、エキシマレーザ光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化されたエキシマレーザ光を照射面内で温度の低い点を設けるように変調して、第１のショット光を前記非単結晶半導体層上に投射し、前記第１のショット光に引き続き第２のショットを一部重ね合わせて照射することを特徴とする。
【００１２】
さらに、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を結晶化する結晶化装置において、前記光を発する光源と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザの出射光路に設けられた前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段と、この振幅変調手段の出射光路に設けられた前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系と、前記光の照射面内で温度の低い点を設ける手段と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガラス基板等の非晶質基板上に、任意の位置に任意のピッチで単結晶領域を形成できる技術が可能となり、要求される回路のスペックから決定される半導体薄膜の性能や設計ルールに応じて適応可能な単結晶アレイ形成の基盤技術を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
実施の形態１
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１の半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置および結晶化方法を説明する図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部拡大詳細図である。  
図１（ａ）において、１は光源である例えばエキシマレーザ、２は出射ビーム、３はホモジナイザ、４はラインビーム（均一化レーザ光）、５は例えば光吸収マスクからなる振幅変調マスク、６は例えば円筒（シリンドリカル）レンズ等からなり、所定の照射エネルギーが得られるように投射する投射光学系、７は均一化され、振幅変調され、投射されたラインビーム、８は光の照射面内で温度の低い点を設ける手段である例えば位相シフトマスク、９は例えばガラス基板等の非晶質基板、１０は例えばＳｉ（シリコン）等からなる非単結晶半導体層、１１は結晶化半導体層、図１（ｂ）において、１２は単結晶アレイである。  
前述の第２の従来技術では、位相シフトマスク（図９（ａ）、図１１（ａ）の９４、９５）（図９（ａ）、図１１（ａ）の９４、９５）
を用いるので、ビームの空間的コヒーレンスが求められるために、基本的には、１次光源のビームの均一性に支配されて、ビームの均一性が改善されることはない。したがって、第２の従来技術は、結果的に光利用効率が低く、かつ、生産性の低い方法である。  
そこで、本実施の形態１においては、１次光源であるエキシマレーザ１を、前記第１の従来技術で用いられたのと同様のホモジナイザ３（図７の７３参照）を用いて、一旦ビームの成形と均一化を図り、その後の光学系を、振幅変調手段である振幅変調マスク５、所定の照射エネルギーが得られるように投射する投射光学系６、結晶成長の起点を制御する位相シフトマスク８で構成することで、空間的コヒーレンスに依存しないで、前記第２の従来技術と同様な結晶成長を生じさせることができる。すなわち、本実施の形態１によって、光の利用効率を保ちながら、かつ、ラインビーム４、７の形状のもので、単結晶アレイ１２を形成することができる大きな効果を生ぜしめることができる。
【００１５】
図２（ａ）は、図１（ａ）のさらに具体的な構成を示す図である。  
図２（ａ）において、４はラインビーム（均一化レーザ光）、１３は振幅変調後の光強度分布、８は位相シフトマスク、９は非晶質基板、１０は非単結晶半導体層、１４は結晶成長の起点（結晶化の起点）、１５は単結晶領域、１６はレーザ照射時の温度分布、１７は融点である。  
なお、図２（ａ）では、図１に示した振幅変調マスク５、投射光学系６等は図示省略してある。  
図２（ｂ）は、図１（ａ）の振幅変調マスク５を作製するのに用いる、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。  
例えばＫｒＦ（フッ化クリプトン(クリプトンフルオライド)）レーザの場合は、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ（Ｏ，Ｎ）系薄膜で、膜厚を面内で分布させることによって、光吸収マスクからなる振幅変調マスク５を作製することができる。同様に、ＸｅＣｌ（塩化キセノン(キセノンクロライド)）レーザの場合では、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ）系薄膜もしくはＳｉ（Ｏ，Ｎ，Ｃ）系薄膜によって、光吸収マスクからなる振幅変調マスク５の作製が可能となる。  
また、結晶成長の起点１４を制御（生成）する手段としては、本実施の形態１では、例えば位相シフトマスク８を用いてその機能を付加することができる。本来、位相シフトマスクは、照射される光源がコヒーレント光であることが前提であるが、本発明が示すとおり、そうではなくても位相の異なる境界部はいつも最小値を取り得ることから、図２（ａ）のレーザ照射時の温度分布１６に示すように、Ｙ方向の中央部で、かつ、Ｘ方向の原点に、周りより低温の部分を生じさせることができる。その結果、図２（ａ）に示すような結晶成長の起点１４を生じさせることができる。  
このように、本実施の形態１においては、エキシマレーザ１（図１）から出射した直後のビームをそのまま扱うことは、生産性と均一性制御とを両立させる点で困難であるので、ビームのエリア分割と混合とによって、振幅の均一なビームを生成する。この際、光の可干渉性が失われるので、振幅変調マスク５を用いた振幅変調によって、非晶質基板９面上の照射強度変調を生じさせる。この概念によって、約５〜１０μｍ程度を保つことができるラテラル成長を実現することができる。  
なお、前述の第２の従来技術における結晶化に用いられるアモルファスシリコン膜の膜厚は、通常は１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ程度である。高出力エキシマレーザを用い、ビームの均一化、ビームの成形をした２０ｃｍ程度の幅を持つビームの場合、通常４００ｍＪ／ｃｍ２程度の照射エネルギーを要するので５ｍｍ／ｓｅｃ程度のスピードで走査することができる。通常、液晶ディスプレイで用いられる５５ｃｍ×６５ｃｍのガラス基板の場合、約５分くらいかけて全面を結晶化できる。  
本実施の形態１の結晶化に用いるアモルファスシリコン膜の膜厚は、５０ｎｍ〜３００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ程度である。本実施の形態１で要求される照射エネルギーは、前述の第１の従来技術で必要とされる照射エネルギーの２〜３倍であるが、光学系の設計を２次元にすることにより、第１の従来技術に比べ、約３分の１以下の速度で５５ｃｍ×６５ｃｍのガラス基板の全面に単結晶薄膜を形成することができた。
【００１６】
すなわち、非晶質基板上に、全面にくまなく均一に単結晶薄膜を形成することは極めて困難な技術であるが、特にガラス基板等の非晶質基板上に、任意の位置に任意のピッチで単結晶領域を形成できる技術が本発明で可能となり、要求される回路のスペックから決定される半導体薄膜の性能や設計ルールに応じて適応可能な単結晶アレイ形成の基盤技術として本発明を展開することができる。
【００１７】
なお、本実施の形態１の半導体薄膜の形成方法は、絶縁材からなる基層（非晶質基板９）上に、非単結晶半導体層１０を形成し、上記非単結晶半導体層１０に（エキシマレーザ１から出射される）光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層１０を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、（ホモジナイザ３によって）前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように（振幅変調マスク５によって）振幅変調を行い、（位相シフトマスク８によって）前記振幅変調された光の照射面内に温度の低い点を設け、前記温度の低い点が設けられた光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に（投射光学系６によって）投射し、前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点１４から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域１５を形成することを特徴とする。  
また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層１０を形成し、上記非単結晶半導体層１０に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層１０を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源（エキシマレーザ１）と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ３と、このホモジナイザ３の出射光路に設けられた前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段（振幅変調マスク５）と、この振幅変調手段の出射光路に設けられた前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系６と、前記投射する光の照射面内に、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設ける手段（位相シフトマスク８）と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段（Ｘ、Ｙ方向に走査可能な基板ステージもしくは光の走査手段（これらは図示省略））とを有することを特徴とする。  
また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、前記振幅変調手段（振幅変調マスク５）が、光吸収マスクであることを特徴とする。  
また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、前記温度の低い点を設ける手段が、位相シフトマスク８であることを特徴とする。
【００１８】
また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、前記振幅変調手段（振幅変調マスク５）と前記温度の低い点を設ける手段（位相シフトマスク８）との位置合わせを行う位置合わせ手段（公知技術なので図示省略）を有することを特徴とする。  
また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、前記位置合わせ手段が、アライメント用レーザビームとアライメントマーク（これらは公知技術なので図示省略）を用いた位置合わせ手段であることを特徴とする。
【００１９】
実施の形態２
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２を説明する図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の振幅変調マスク５を作製するのに用いる、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。  
１８は光吸収ドット、１９は光吸収ドット１８を有するマスクである。  
本実施の形態２は、実施の形態１の図２（ａ）の結晶成長の起点１４を生成する手段として、光吸収ドット１８を有するマスク１９を、図３（ａ）に示す位置（実施の形態１の位相シフトマスク８と同様の位置）に設けた例である。この光吸収ドット１８を有するマスク１９も、図３（ｂ）に示すように、例えばＫｒＦレーザの場合は、Ｓｉ（Ｏ，Ｎ）系薄膜で、ＸｅＣｌレーザの場合は、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ）系もしくはＳｉ（Ｏ，Ｎ，Ｃ）系薄膜によって、作製が可能である。  
実施の形態１の図２（ａ）のレーザ照射時の温度分布１６に示したのと同様の図３（ａ）のレーザ照射時の温度分布１６のように、Ｙ方向の中央部で、かつ、Ｘ方向の原点に、低温の部分を生じさせることができる。その結果、図３（ａ）に示すような結晶成長の起点１４を生じさせることができ、実施の形態１と同様に、約５〜１０μｍ程度のラテラル成長を実現できる。  
なお、本実施の形態２の半導体薄膜の形成装置は、前記温度の低い点を設ける手段が、光吸収ドット１８を有するマスク１９であることを特徴とする。
【００２０】
実施の形態３
図４（ａ）は、本発明の実施の形態３を説明する図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の光吸収ドット１８を有する位相シフトマスク２３を作製するのに用いる、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。  
本実施の形態３は、図１に示した構成において、振幅変調マスク５をなくす代わりに、図４（ａ）に示すような位相シフトマスク２３（図２の位相シフトマスク８を９０度回転させたもの）の段差上あるいはその間近に、図３に示した光吸収ドット１８（ＫｒＦレーザの場合は、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜からなる）を設けたマスクを配置することによっても、上記実施の形態１、２と同様の結晶成長を生じさせることができる。通常、ホモジナイザで均一化されたエキシマレーザ光では、位相シフトマスク２３によって光強度変調ができない。しかし、実際に行った実験では、ガラス基板９と、上記ラテラル成長を制御する位相シフトマスク２３との距離を１ｍｍ以下に配置することで、図３（ａ）に示したレーザ照射時の温度分布１６のような温度分布をガラス基板９上に生成できることがわかった。
【００２１】
なお、本実施の形態３の半導体薄膜の形成方法は、絶縁材からなる基層（非晶質基板９）上に、非単結晶半導体層１０を形成し、上記非単結晶半導体層１０に（エキシマレーザ１から出射される）光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層１０を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、（ホモジナイザ３によって）前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光に、（位相シフトマスク２３によって）前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、（光吸収ドット１８によって）前記光の照射面内に温度の低い点を設けることとを同時に行い、前記光強度変調と前記温度の低い点を設けることとが同時に行われた光を、前記非単結晶半導体層上に照射し、前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点１４から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域１５を形成することを特徴とする。  
また、本実施の形態３の半導体薄膜の形成装置は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源（エキシマレーザ１）と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ３と、前記ホモジナイザ３によって光強度分布が均一化された光に、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、前記光の照射面内に前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けることとを同時に行う手段（位相シフトマスク２３と光吸収ドット１８）と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段（Ｘ、Ｙ方向に走査可能な基板ステージもしくは光の走査手段（これらは図示省略））とを有することを特徴とする。すなわち、本実施の形態３においては、前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層１０上に投射する投射光学系６が不要である。
【００２２】
また、本実施の形態３の半導体薄膜の形成装置は、光強度変調と、前記温度の低い点を設けることとを同時に行う手段が、光吸収ドット１８を有する位相シフトマスク２３であることを特徴とする。
【００２３】
実施の形態４
図５（ａ）は、本発明の実施の形態４を説明する図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の一部拡大詳細図である。  
図５（ａ）において、４はラインビーム（均一化レーザ光）、７は均一化され、振幅変調され、投射されたラインビーム、８は位相シフトマスク、９は非晶質基板、１０は非単結晶半導体層、１１は結晶化半導体層、２０は非晶質基板９（すなわち、図示省略する基板ステージ）の送りピッチである。なお、図５（ａ）においては、図１に示したエキシマレーザ１、出射ビーム２、ホモジナイザ３、光吸収マスクからなる振幅変調マスク５、投射光学系６は図示省略している。図５（ｂ）において、１２は単結晶アレイ、２０は送りピッチ、矢印Ｃはラテラル成長方向である。  
前述の第２の従来技術における問題点は、図９（ｂ）に示した結晶化アレイにおいて、結晶化領域の面内の占有面積率が低いことと、結晶成長の起点９８が、いつも結晶化初期膜、例えばアモルファスシリコンの相に隣接しているため、結晶化の駆動力の第一要因は冷却過程に支配されたものであり、面内の微量な不純物や、膜と基板の界面の状態のバラツキに敏感に依存し、再現性が得られにくかった点である。  
そこで、本実施の形態４においては、図１（ａ）に示したような装置構成におけるステージの送り機構（図示省略）により、結晶化のラテラル成長が期待できる距離より少し短めの、例えば約５μｍの送りピッチ２０で、非晶質基板９を矢印Ａ方向に搬送する。この方式を用いることによって、結晶化領域の面内の占有面積率を高め、かつ、再現性を向上させた単結晶アレイ１２を形成することができる。結果的には、アレイというより、帯状（リボン状）の単結晶領域を形成できる。  
図６は、本実施の形態４をさらに詳細に説明する図である。  
２２はプライマリーショット（第１のショット。単結晶粒）、２３は次ショット（第２のショット）である。  
前述の第２の従来技術において得られる単結晶粒は、例えばアモルファスシリコンからなる結晶化初期膜において、図６に示すプライマリーショット２２で得られる単結晶粒と同様である。すなわち、図６に示した結晶成長の起点１４からラテラル成長方向Ｃにラテラル成長を生じるが、このラテラル成長は、結晶化の初期過程によってほとんど支配される。結晶化の初期過程は、冷却の過程で確率的に核形成が行われ、ラテラル成長へと移って行く。第２の従来技術においては、上記のプライマリーショット２２で形成される単結晶粒は、それぞれ独立な確率過程によって形成されるものであり、再現性、均一性において課題がある。  
一方、本実施の形態４の結晶化方式においては、図６に示すごとく、プライマリーショット２２で形成された単結晶粒の一部を重ね合わせるようにして、次ショット２３、さらに次ショット（図示省略）と繋げて結晶化していく。最初のプライマリーショット２２においては、確率過程が支配する要因が強く支配するが、次ショット２３以降においては、すでに結晶化された領域と結晶成長の起点１４が接しているために、すでに結晶成長のための種（シード）が存在していることになり、ラテラル成長はその種をもとに成長する。すなわち、シリコンの溶融−凝固の準平衡状態からの成長に支配され、再現性、均一性が飛躍的に改善されることになる。  
このように、単結晶化領域（図２（ａ）、図３（ａ）、図４（ａ）の１５参照）の高密度化のために、実施の形態１で述べた光源の概念を用いることによりビームの成形・変形が可能となるので、図１の振幅変調マスク５、位相シフトマスク８、およびラテラル成長の距離程度のステップ アンド リピートにより帯状の単結晶領域を形成する。  
なお、本実施の形態４の半導体薄膜の形成方法は、前記成長の距離程度のピッチ（送りピッチ２０）で、前記光と前記基層とを相対的に動かし、先行する第１のショット２２に、前記第１のショット２２に引き続く第２のショット２３を一部重ね合わせ、帯状の単結晶領域１５を形成することを特徴とする。  
また、本実施の形態４の結晶化方法は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して溶融結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、前記光は、エキシマレーザ光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化されたエキシマレーザ光の振幅が、前記エキシマレーザ光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、前記振幅変調されたエキシマレーザ光を、照射面内で、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けるように変調して、第１のショット光（第１のショット２２）を前記非単結晶半導体層上に投射し、前記第１のショット光に引き続き、第２のショット（第２のショット２３）を一部重ね合わせて照射することを特徴とする。
【００２４】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、前記実施の形態１〜４では、絶縁材からなる基層として、ガラス基板等の非晶質基板９を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、例えば、セラミック、プラスチック等の各種の透明または不透明な絶縁物質製の基層を使用することができる。また、該基層上に設ける非単結晶半導体層としては、非晶質半導体層を形成してもよいし、あるいは、すでに微小粒径の単結晶が形成されている多結晶半導体層を形成し、それを再結晶化させて本発明による半導体薄膜を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１の半導体薄膜の形成方法、装置および結晶化方法を説明する図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【図２】（ａ）は図１（ａ）のさらに具体的な構成を示す図、（ｂ）は振幅変調マスク作製用のＳｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態２を説明する図、（ｂ）は振幅変調マスク作製用のＳｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態３を説明する図、（ｂ）は位相シフトマスク作製用のＳｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明の実施の形態４を説明する図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【図６】本実施の形態４をさらに詳細に説明する図である。
【図７】第１の従来技術を説明する図である。
【図８】図７の第１の従来技術における光学系を示す図である。
【図９】（ａ）は第２の従来技術を説明する図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【図１０】第２の従来技術におけるレーザ照射光学系を示す図である。
【図１１】（ａ）は第２の従来技術における光変調光学系を示す図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…エキシマレーザ（光源）
２…出射ビーム
３…ホモジナイザ
４…ラインビーム（均一化レーザ光）
５…振幅変調マスク
６…投射光学系
７…ラインビーム
８…位相シフトマスク
９…非晶質基板
１０…非単結晶半導体層
１１…結晶化半導体層
１２…単結晶アレイ
１３…振幅変調後の光強度分布
１４…結晶成長の起点
１５…単結晶領域
１６…レーザ照射時の温度分布
１７…融点
１８…光吸収ドット
１９…マスク
２０…送りピッチ
２１…プライマリーショット（第１のショット）
２２…次ショット（第２のショット）
２３…位相シフトマスク
Ａ…基板走査方向
Ｂ…基板走査方向に垂直な方向
Ｃ…ラテラル成長方向
７１…エキシマレーザ
７２…出射ビーム
７３…ホモジナイザ
７４…ラインビーム（均一化レーザ光）
７５…非晶質基板
７６…非単結晶半導体層
７７…多結晶化半導体層
８１…フライアイレンズ
８２…投射光学系
９０…エキシマレーザ光
９１…エキシマレーザ
９２…出射ビーム
９３…ビーム強度変換光学系
９４、９５…位相シフトマスク
９６…非晶質基板
９７…非単結晶半導体層
９８…結晶成長の起点
９９…単結晶粒
１００…マスク（絞り）
【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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