(57)【要約】【課題】非単結晶半導体の結晶化を安全かつ高効率に行なうことが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供する。【解決手段】円柱または円筒の形状の回転ステージを有するローラーと、エネルギービームを出射するエネルギービーム照射機構と、ローラーおよびエネルギービーム照射機構を収容するチャンバーと、ローラーとエネルギービームの光軸との相対的な位置関係を変化させるための照射位置移動機構とを備え、該回転ステージは、円柱または円筒の底面の中心を通り底面と垂直をなす回転軸を中心に回転可能であり、回転ステージの側面の少なくとも一部の領域に基板ステージが設けられ、照射位置移動機構は、上記側面に対してエネルギービームが螺旋状に走査されるように上記の位置関係を回転軸の方向に変化させる機構であり、チャンバーはエネルギービームを遮蔽する材質からなる、半導体製造装置に関する。【選択図】図１
2008108963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱または円筒の形状の回転ステージを有するローラーと、
エネルギービームを出射するエネルギービーム照射機構と、
前記ローラーおよび前記エネルギービーム照射機構を収容するチャンバーと、
前記ローラーと前記エネルギービームの光軸との相対的な位置関係を変化させるための照射位置移動機構と、
を備え、
前記回転ステージは、前記円柱または前記円筒の底面の中心を通り前記底面と垂直をなす回転軸を中心に回転可能であり、
前記回転ステージの側面の少なくとも一部の領域に、非単結晶半導体を保持するための基板ステージが設けられ、
前記照射位置移動機構は、前記ローラーの回転に伴って前記側面に対して前記エネルギービームが螺旋状に走査されるように、前記位置関係を前記回転軸の方向に変化させる機構であり、
前記チャンバーは前記エネルギービームを遮蔽する材質からなる、半導体製造装置。
【請求項２】
前記チャンバーの材質が金属である、請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記チャンバーの内部を減圧するための減圧機構をさらに備える、請求項１または２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記エネルギービーム照射機構から出射されたエネルギービームを整形するためのエネルギービーム整形機構をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記エネルギービーム整形機構がシリンドリカルレンズを備える、請求項４に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記チャンバーの内部に温度センサーをさらに備える、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記エネルギービーム照射機構と前記ローラーとの間に、エネルギービーム照射の開始時および終了時を制御するためのシャッターをさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項８】
前記エネルギービーム照射機構と前記ローラーとの間に、前記基板ステージ上へのエネルギービームの照射を間欠的に行なうためのシャッターをさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体製造装置を用いた半導体製造方法であって、
非単結晶半導体が表面に形成された基板を前記ローラーの前記基板ステージに保持する基板保持工程と、
前記回転軸を中心に前記回転ステージを回転させながら、前記エネルギービーム照射機構から前記非単結晶半導体にエネルギービームを照射し、前記非単結晶半導体を結晶化する照射工程と、
を含み、
前記照射工程において、前記回転ステージの回転に伴って前記エネルギービームが前記回転ステージの前記側面を螺旋状に走査する、半導体製造方法。
【請求項１０】
前記基板はフレキシブル基板である、請求項９に記載の半導体製造方法。
【請求項１１】
前記基板ステージは分割された複数の領域からなり、前記非単結晶半導体が形成された基板は、前記複数の領域の各々に保持される、請求項９または１０に記載の半導体製造方法。
【請求項１２】
前記結晶化において、前記エネルギービームの走査方向に結晶が成長する、請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非単結晶半導体を結晶化して結晶性半導体、特に結晶性半導体薄膜を得るための半導体製造装置および半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイ、有機ＥＬなどの画像表示装置や、基板上に表示装置、駆動回路、メモリ、ＣＰＵ等が集積されたシステム・オン・パネル、イメージセンサ等の分野に用いられる半導体薄膜の製造において、レーザアニールによって半導体膜を結晶化する方法が広く検討されている。さらに、レーザアニールの方法として、線状に整形したレーザの照射位置を相対的に移動させながら基板上にレーザを照射して結晶化を行なう方法が種々提案されている。しかし、基板上に形成された非単結晶半導体膜に対し、照射領域の小さなレーザビームをラスタースキャンして結晶化を行なう方法においては、レーザビームの走査速度を大きくしてもその分走査速度の加減速のための時間が増えるため、必ずしもスループットが向上しないという問題があった。
【０００３】
特許文献１には、レーザアニールの処理効率を高めることができる技術として、レーザ発振装置から出力されたレーザ光を光学系によって加工し、絶縁表面上に形成された半導体膜を回転させながら、回転の中心に向かって、または該中心から外側に向かって移動させ、なおかつ、加工されたレーザ光を半導体膜の移動範囲内における一定の領域に照射することで、半導体膜の結晶性を高めることを特徴とする半導体装置の製造方法が提案されている。しかし特許文献１の技術では、半導体膜の配置に無駄が多く結晶化の効率があまり良くないという問題がある。また、半導体膜の回転速度が一定の場合には、回転中心からの距離が遠くなるほど走査速度が大きくなってしまい、走査速度を一定にするためには回転速度を精度良く制御する必要があるという問題もある。
【０００４】
特許文献２には、振動の発生を抑えるとともにスループット良く基板を処理することが可能なレーザ処理装置として、レーザ発振器と、線状レーザビーム形成用の光学系と、回転軸を有する回転体と、基板を該回転体の曲面に固定させる固定機構と、を有し、レーザ発振器からレーザビームを射出し、射出されたビームは、上記光学系を通り、上記光学系を通ったレーザビームは、上記回転体を回転させながら回転体に固定させた基板に照射されることを特徴とするレーザ処理装置が提案されている。しかし特許文献２の技術では、安全性と処理効率とが必ずしも両立されていないという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−１５８０７６号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の課題を解決し、非単結晶半導体の結晶化による結晶性半導体の製造を安全かつ高効率に行なうことが可能な半導体製造装置および半導体製造方法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】
【０００６】
本発明は、円柱または円筒の形状の回転ステージを有するローラーと、エネルギービームを出射するエネルギービーム照射機構と、ローラーおよびエネルギービーム照射機構を収容するチャンバーと、ローラーとエネルギービームの光軸との相対的な位置関係を変化させるための照射位置移動機構とを備え、該回転ステージは、円柱または円筒の底面の中心を通り底面と垂直をなす回転軸を中心に回転可能であり、回転ステージの側面の少なくとも一部の領域に、非結晶半導体を保持するための基板ステージが設けられ、照射位置移動機構は、回転ステージの回転に伴って上記の側面に対してエネルギービームが螺旋状に走査されるように、上記の位置関係を回転軸の方向に変化させる機構であり、チャンバーはエネルギービームを遮蔽する材質からなる、半導体製造装置に関する。
【０００７】
上記のチャンバーの材質は金属であることが好ましい。
本発明の半導体製造装置は、チャンバーの内部を減圧するための減圧機構をさらに備えることが好ましい。
【０００８】
本発明の半導体製造装置は、エネルギービーム照射機構から出射されたエネルギービームを整形するためのエネルギービーム整形機構をさらに備えることが好ましい。
【０００９】
上記のエネルギービーム整形機構は、シリンドリカルレンズを備えることが好ましい。
本発明の半導体製造装置は、チャンバーの内部に温度センサーをさらに備えることが好ましい。
【００１０】
本発明の半導体製造装置は、エネルギービーム照射機構とローラーとの間に、エネルギービーム照射の開始時および終了時を制御するためのシャッターをさらに備えることが好ましい。
【００１１】
本発明の半導体製造装置は、エネルギービーム照射機構とローラーとの間に、基板ステージ上へのエネルギービームの照射を間欠的に行なうためのシャッターをさらに備えることが好ましい。
【００１２】
本発明はまた、上述のいずれかの半導体製造装置を用いた半導体製造方法であって、非単結晶半導体が表面に形成された基板をローラーの基板ステージに保持する基板保持工程と、回転軸を中心に回転ステージを回転させながら、エネルギービーム照射機構から非単結晶半導体にエネルギービームを照射し、非単結晶半導体を結晶化する照射工程とを含み、照射工程において、回転ステージの回転に伴ってエネルギービームが回転ステージの側面を螺旋状に走査する、半導体製造方法に関する。
【００１３】
上記の基板はフレキシブル基板であることが好ましい。
本発明の半導体製造方法において、基板ステージは分割された複数の領域からなり、非単結晶半導体が形成された基板は、該複数の領域の各々に保持されることが好ましい。
【００１４】
本発明の半導体製造方法の結晶化においては、エネルギービームの走査方向に結晶が成長することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、エネルギービームのチャンバー外部への漏洩を防止することができ、非単結晶半導体を結晶化させて結晶性半導体を安全かつ高効率に製造することが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜半導体製造装置＞
本発明の半導体製造装置は、特に、非単結晶半導体にエネルギービームを照射してアニール処理することによって結晶性半導体を製造するために用いられる。本発明において、非単結晶半導体とは、単結晶以外の結晶構造を有する半導体、具体的には非晶質半導体および多結晶半導体を意味する。本発明において処理される非単結晶半導体としては、たとえば、非晶質Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、非晶質ＳｉＧｅ、多結晶ＳｉＧｅ、非晶質Ｇｅ、多結晶Ｇｅ等が例示される。
【００１７】
本発明の半導体製造装置は、円柱または円筒の形状の回転ステージを有するローラーと、エネルギービームを出射するエネルギービーム照射機構と、ローラーおよびエネルギービーム照射機構を収容するチャンバーとを備える。該回転ステージは、円柱または円筒の底面の中心を通り底面と垂直をなす回転軸を中心に回転可能である。
【００１８】
本発明の半導体製造装置には、エネルギービームを遮蔽する材質からなるチャンバーが設けられている。これにより、チャンバー外部へのエネルギービームの漏洩が防止され目的の結晶性半導体を安全に製造することができる。
【００１９】
チャンバーの材質はエネルギービームを透過させないものであれば良く、たとえば金属が例示できる。中でも、ステンレス等が特に好ましい。本発明で使用されるエネルギービームがレーザである場合は、レーザの透過率が１０００分の１以下である合成樹脂、レーザ遮光カーテン等で周囲を覆ったチャンバーを用いることも可能である。
【００２０】
本発明の半導体製造装置は、チャンバー内部を常圧の状態として使用されるものでも良いが、チャンバー内部を減圧するための減圧機構をさらに備え、チャンバー内部を減圧できる構成とされることが好ましい。減圧機構の態様としては、例えば真空ポンプ等が採用され得る。チャンバーが減圧機構を有する場合、該減圧機構を用いてチャンバー内部を減圧することによって、基板ステージ上の非単結晶半導体および該非単結晶半導体の結晶化により生成した結晶性半導体の雰囲気ガス等による汚染を良好に防止することができる。この場合、真空計(圧力計）と、減圧した後に窒素、酸素、アルゴン等の気体を導入するための機構とを併設することがより好ましく、これにより、さらに良好な汚染防止効果の付与と、チャンバー内の気体の混合比率等の制御とが可能となる。
【００２１】
本発明においては、雰囲気ガス等によるチャンバー内部の汚染を防止する目的で、チャンバーがケミカルフィルター、パーティクルフィルター等のフィルターを備えることが望ましい。
【００２２】
回転ステージの側面の少なくとも一部の領域には、非結晶半導体を保持するための基板ステージが設けられ、エネルギービーム照射によるアニール処理によって結晶化される非単結晶半導体を、たとえば基板上に形成された状態で基板ステージ上に保持することができるように構成されている。
【００２３】
基板ステージは、たとえば回転ステージの側面の一部または全部の領域に１つの領域として形成されても良く、また、回転ステージの側面の一部または全部の領域に、分割された複数の領域として形成されても良い。基板ステージが複数の領域として形成される場合、たとえばＴＦＴ等に対して用いられる結晶性半導体の製造において、非単結晶半導体を形成した複数の基板を、基板ステージの複数の領域の各々に保持することができる。
【００２４】
図１は、本発明の半導体製造装置の構成の一例を示す概略図である。図１に示す半導体製造装置１は、ローラー１１と、エネルギービーム照射機構１２と、該ローラー１１および該エネルギービーム照射機構１２を収容するチャンバー１４とを備える。ローラー１１は、回転軸１１１と、該回転軸１１１を中心に回転可能な円柱形状の回転ステージ１１２と、該回転ステージ１１２を保持して回転させるための回転モーター１１３とを備える。回転軸１１１は、回転ステージ１１２における円柱の底面の中心を通り該底面と垂直をなすように構成される。回転ステージ１１２の側面には基板ステージ１１４が形成されている。なお本明細書の図面において同一の符号で表される部位は同様の機能を有する。
【００２５】
本発明の半導体製造装置において、ローラー１１の回転ステージ１１２の典型的な大きさは、例えば円柱の高さである軸方向の長さが３００〜５０００ｍｍの範囲内、より典型的には７４０ｍｍ程度とされることができ、円柱の半径が１００〜３０００ｍｍの範囲内、より典型的には３００ｍｍ程度とされることができる。
【００２６】
本発明の半導体製造装置は、ローラーとエネルギービームの光軸との相対的な位置関係を変化させるための照射位置移動機構を備える。該照射位置移動機構は、回転ステージの回転に伴って該回転ステージ上にエネルギービームが螺旋状に走査されるように、ローラーとエネルギービームの光軸との相対的な位置関係を回転軸の方向に変化させる機構である。照射位置移動機構によれば、回転ステージの回転に伴って、基板ステージ上に保持された非単結晶半導体の結晶化を連続的に行なうことができ、エネルギービームの走査速度が一定に保たれて大粒径の半導体結晶を均一に成長させることができるとともに良好なスループットが得られる。
【００２７】
ローラーが回転軸方向に移動するための移動機構を有する場合、該移動機構を照射位置移動機構として作用させることができる。または、エネルギービーム照射機構に移動機構を設け、これを照射位置移動機構として作用させても良い。
【００２８】
本発明の半導体製造装置においては、エネルギービーム照射機構によって、回転ステージの側面に入射するエネルギービームの光軸を回転軸に対して実質的に垂直とすることも可能であるし、斜めにすることも可能であるが、線状ビームの短軸方向については、回転軸に対して実質的に垂直となるようにエネルギービームの光軸が調整されることが好ましい。これによりアニール処理による結晶化をより均一に行なうことができる。
【００２９】
エネルギービーム照射機構から出射されるエネルギービームとしては、連続発振レーザ、パルスレーザ等を用いることができる。連続発振レーザ（以下、ＣＷレーザとも称する）としては、たとえば、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶ０４レーザ、ＹＬＦレーザ、フォルステライト（Ｍｇ2ＳｉＯ4）レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ3レーザ、ＧｄＶＯ4 レーザ、Ｙ2Ｏ3レーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ、多結晶（セラミック）のＹＡＧ、Ｙ2Ｏ3、ＹＶＯ4、ＹＡｌＯ3、ＧｄＶＯ4に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザのいずれか１つを使用できる。パルスレーザとしては、たとえば、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザ、Ｙ2Ｏ3レーザ、ＹＶＯ4レーザ、フォルステライト（Ｍｇ2ＳｉＯ4）レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ3レーザ、ＧｄＶＯ4レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、銅蒸気レーザビーム、金蒸気レーザ、多結晶（セラミック）のＹＡＧ、Ｙ2Ｏ3、ＹＶＯ4、ＹＡｌＯ3、ＧｄＶＯ4に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザのいずれか１つを使用できる。パルスレーザは、発振周波数１０ＭＨｚ以上、好ましくは８０ＭＨｚ以上であることが望ましい。
【００３０】
本発明の半導体製造装置は、エネルギービーム照射機構から出射されたエネルギービームを整形するためのエネルギービーム整形機構をさらに備えることが好ましい。たとえば、図１に示すようなエネルギービーム整形機構１３を、エネルギー照射機構１２とローラー１１との間に設けることができる。エネルギービーム整形機構は、後述するような、ミラー、波長板、シリンドリカルレンズ等の光学部材の組み合わせから構成されることができ、これらの組み合わせによってエネルギービームが所望の形状に整形される。
【００３１】
エネルギービーム整形機構としては、ビームを線状に集光する光学系を備えることが好ましく、該光学系としては、シリンドリカルレンズを組み合わせたもの、マルチレンズアレイを用いたもの、パウエルレンズとシリンドリカルレンズとを組み合わせたもの、回折光学素子を用いたもの等、様々な形式のものがあるが、ビームを線状に整形できるものであればどのような光学系を用いても良い。
【００３２】
本発明の半導体製造装置は、エネルギービーム整形機構とローラーの基板ステージとの距離を目的に応じて変化させることができるように構成されることが好ましい。ローラーが移動機構を備える場合には該移動機構によってエネルギービーム整形機構とローラーとの距離を調整しても良い。または、エネルギー整形機構が移動機構を備え、該移動機構によってエネルギービーム整形機構を移動させてエネルギービーム整形機構とローラーとの距離を調整しても良い。さらに、ローラーとエネルギービーム整形機構とがともに移動機構を有することにより、両者の移動によって距離調整を行なっても良い。
【００３３】
なお、図１ではエネルギービーム照射機構およびエネルギービーム整形機構が１つずつ設けられる場合について示しているが、本発明においては、エネルギービーム照射機構およびエネルギービーム整形機構がそれぞれ２つ以上設けられても良い。また、２つ以上のエネルギービーム照射機構と１つのエネルギービーム整形機構との組み合わせとされても良い。
【００３４】
本発明の半導体製造装置は、チャンバー内部に温度センサーをさらに備えることが好ましい。該温度センサーで感知した温度に基づいてチャンバー内部の温度管理を行なう場合、プロセス条件を一定に管理することができ、生成させる結晶性半導体の品質を一定に保ち、歩留りを向上させることができる。
【００３５】
本発明の半導体製造装置の動作はチャンバーの外部に設けられた制御部によって電気的および／または機械的に制御されることができる。制御部としては、たとえば図１に示すような、ローラー１１の動作を制御する機械制御部１６、エネルギービーム照射機構１２の動作を制御してビーム形状およびビーム強度を調整するエネルギービーム制御部１７、エネルギービーム整形機構１３の動作を制御する光学制御部１８、等が例示される。本発明においてチャンバー内部に温度センサー１５が設けられる場合には、温度センサーで感知した温度に基づいてチャンバー内部の温度を制御するための温度制御部１９をチャンバー外部に備えることが好ましい。温度制御部１９においては、チャンバー内部の温度センサー１５で感知された温度に基づき、空調機等で加熱または冷却することによりチャンバー内部の温度を所定の範囲内に制御する。
【００３６】
また、ローラー、エネルギービーム照射機構、エネルギービーム整形機構の移動または位置制御を行なう際に、移動機構としてリニアガイド、リニアスケール等を使用する場合、位置制御性を向上させて、結晶性半導体の品質の均一性および歩留りを向上させることができる点で、特に該移動機構の周辺に温度センサーを設け、移動機構周辺の温度を一定に保つことが好ましい。なお、本発明において設置される温度センサーおよび空調機は１つのみでも良いが、チャンバー内の温度をより均一に保つためには２つ以上である方が望ましい。
【００３７】
本発明においては、機械制御部、エネルギービーム制御部、光学制御部、温度制御部が別個の制御系とされても良いが、たとえばＰＣ等によって１つの制御系として制御されても良い。
【００３８】
以下、本発明の典型的な態様についてより詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３９】
図２は、本発明におけるエネルギービームの照射方法の例について説明する概略図である。図２では、本発明の半導体製造装置においてエネルギービーム照射機構が１つのみ設けられる場合について示している。ローラー１１は、回転モーター１１３上に、回転軸１１１を有する回転ステージ１１２が形成され、回転ステージ１１２は、回転モーター１１３によって回転軸１１１を中心に回転することができる構成となっている。回転ステージ１１２の側面には基板ステージ１１４が形成され、該基板ステージ１１４上に基板１１５が固定されている。基板ステージ１１４への基板１１５の固定は、真空吸着、静電チャック、機械的な保持具を使用した固定等の方法で行なわれることができる。真空吸着の際には、ステージに吸着用の穴を設け、真空ポンプで引けば良い。その際、吸着の領域を複数に分割することにより、基板ステージの一部の領域に基板を設置した場合にも良好な吸着が可能である。
【００４０】
基板１１５上には、非単結晶半導体１１６が形成されており、回転ステージ１１２を回転させながら該非単結晶半導体１１６にエネルギービームＬ１を照射することによって該非単結晶半導体１１６を結晶化し、結晶性半導体１１７を螺旋状に生成させていく。
【００４１】
図３は、図２に示す回転ステージ１１２の側面の一部を示す図である。図３に示すように、本発明においては、エネルギービームが非単結晶半導体１１６に対して螺旋状に照射されるため、結晶性半導体１１７の生成方向は回転軸に対して傾斜している。
【００４２】
図４は、本発明におけるエネルギービームの照射方法の別の例について説明する概略図である。図４では、本発明の半導体製造装置においてエネルギービーム照射機構が２つ設けられる場合について示している。図４に示すような態様においては、回転ステージ１１２を回転させながら、エネルギービームＬ１の照射によって結晶性半導体１１７を、エネルギービームＬ２の照射によって結晶性半導体１１８を、それぞれ螺旋状に生成させていく。エネルギービーム照射機構を２つ設ける場合、各エネルギービーム照射機構とローラーとの相対的な位置関係が回転軸方向において同じ速度で同じ方向に変化するように照射位置移動機構を制御することが好ましい。この場合、たとえば図４に示すように、非単結晶半導体１１６に対するエネルギービームＬ１の照射開始位置を回転ステージ１１２の回転軸方向における端部付近に設定し、エネルギービームＬ２の照射開始位置を、回転ステージ１１２の回転軸方向における中央部付近に設定することが好ましい。これにより、エネルギービーム照射機構を１つのみ設ける場合と比べて、結晶化の所要時間をたとえば約１／２に短縮することができる。照射機構を３つ以上に増やせば、結晶化の所要時間をさらに短縮することができる。
【００４３】
図５は、図４に示す回転ステージ１１２の側面の一部を示す図である。図５に示すように、エネルギービーム照射機構を２つ設ける場合も、エネルギービーム照射機構を１つのみ設ける場合と同様に非単結晶半導体１１６の全面が結晶化され、回転ステージの回転軸に対して傾斜した方向に結晶性半導体１１７，１１８が生成する。
【００４４】
（光学系）
図６および図７は、本発明に適用され得るエネルギービーム照射機構およびエネルギービーム整形機構の構成の例について説明する概略図である。図６は、２つのエネルギービーム照射機構から出射された２本のエネルギービームが１本に合成されて非単結晶半導体に照射される場合について示しており、図７は、１つのエネルギービーム照射機構から出射された１本のエネルギービームが一旦分割された後に再度合成されて非単結晶半導体に照射される場合について示している。
【００４５】
図６においては、エネルギービーム出射器１２１ａ、シャッター１２２ａ、光アイソレータ１２３ａ、レンズ１２４ａ，１２５ａからなるビームエキスパンダー１２６ａ、を備えたエネルギービーム照射機構１２ａと、エネルギービーム出射器１２１ｂ、シャッター１２２ｂ、光アイソレータ１２３ｂ、レンズ１２４ｂ，１２５ｂからなるビームエキスパンダー１２６ｂ、を備えたエネルギービーム照射機構１２ｂとが設けられる。また図６においては、エネルギービーム照射機構から出射されたエネルギービームを整形して基板ステージ上に入射させるために、ミラー１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ、波長板１３２、偏光ビームスプリッター１３３、シリンドリカルレンズ１３４としての長軸用シリンドリカルレンズ１３４ａおよび短軸用シリンドリカルレンズ１３４ｂ、からなるエネルギー整形機構が設けられる。
【００４６】
エネルギービーム出射器１２１ａ，１２１ｂから出射するエネルギービームとしては、例えば、Ｎｄ：ＹＶ０４レーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等を使用でき、ＣＷレーザでも良いし、発振周波数１０ＭＨｚ以上、好ましくは８０ＭＨｚ以上のパルスレーザでも良い。
【００４７】
シャッター１２２ａ，１２２ｂは、基板ステージ上へのエネルギービームの照射を間欠的に行なうために設けられるものであり、高速での開閉動作が可能なものとされる。具体的には、ガルバノミラー、ＡＯ素子、ＥＯ素子等が例示できる。シャッターの開閉動作を行なってエネルギービームを非単結晶半導体の一部分にのみ照射する場合、非単結晶半導体の結晶化の際におけるフレキシブル基板への熱的な影響を最小限に抑えることができ好ましい。
【００４８】
なお本発明においては、１つのシャッターで、開始時および終了時の制御と間欠的な照射との両方を制御しても良い。
【００４９】
図８および図９は、本発明におけるエネルギービームの照射領域について説明する概略図である。図８および図９は、基板ステージが１つの領域として設けられ、該基板ステージ上に１枚の非単結晶半導体が保持された状態での回転ステージの側面の一部を示している。本発明において、たとえばシャッター１２２ａ，１２２ｂのような、高速動作が可能なシャッターが設けられない場合、エネルギービームは非単結晶半導体に対して連続的に照射されるため、図８に示すように、非単結晶半導体８１６の結晶化によって結晶性半導体８１７が１つの領域として形成される。一方、たとえばシャッター１２２ａ，１２２ｂのような高速動作が可能なシャッターが設けられる場合、シャッターの開閉動作に対応して、エネルギービームが非単結晶半導体の一部分にのみ照射され、たとえば図９に示すように、非単結晶半導体９１６の結晶化によって結晶性半導体９１７を複数の領域（図９では４つの領域として示されている）として形成することができる。
【００５０】
エネルギービーム出射器１２１ａ，１２１ｂから出射されたエネルギービームは、シャッター１２２ａ，１２２ｂが開放されている場合には該シャッター１２２ａ，１２２ｂを通過し、反射戻り光を阻止するための光アイソレータ１２３ａ，１２３ｂを経て、ビームエキスパンダー１２６ａ，１２６ｂに達する。ビームエキスパンダー１２６ａ，１２６ｂは、レンズ１２４ａ，１２５ａ、およびレンズ１２４ｂ，１２５ｂによってエネルギービームのビーム径を所望の範囲に調整する。その後、エネルギービームはシャッター２０ａ，２０ｂを通って偏光ビームスプリッター１３３に達するが、エネルギービーム出射器１２１ａから出射されたエネルギービームは、シャッター２０ａを通過した後、ミラー１３１ａ、波長板１３２、ミラー１３１ｂ，１３１ｃを経て偏光ビームスプリッター１３３に達する。波長板１３２としてはたとえば１／２波長板が使用され得る。
【００５１】
エネルギービーム出射器１２１ａ，１２１ｂからそれぞれ出射されたエネルギービームは、偏光ビームスプリッター１３３で１本のエネルギービームに合成された後、ミラー１３１ｄと、長軸用シリンドリカルレンズ１３４ａおよび短軸用シリンドリカルレンズ１３４ｂからなるシリンドリカルレンズ１３４とを経て、基板ステージ１１４上に照射される。
【００５２】
本発明の半導体製造装置は、エネルギービーム照射機構とローラーとの間に、エネルギービーム照射の開始時および終了時を制御するためのシャッターをさらに備えることが好ましい。図６に示す構成では、エネルギービーム照射機構１２ａ，１２ｂとエネルギービーム整形機構との間に、シャッター２０ａ，２０ｂがそれぞれ設けられている。該シャッター２０ａ，２０ｂは、開閉動作によってエネルギービーム照射の開始時および終了時を制御する役割を有し、エネルギービーム照射機構とローラーとの間のどの位置にあっても良い。エネルギービーム整形機構の熱変形の影響が少ない点では、該シャッターをローラーに近い位置に設けることが好ましい。シャッターは１つでも２つ以上の組み合わせでも良い。
【００５３】
本発明のエネルギー整形機構がシリンドリカルレンズを備える場合、単純な構造の光学系で均一なエネルギー分布を有する線状のエネルギービームが得られる。光学系としては、図６に示すような、複数のエネルギービーム出射器から出射されたビームを合成する光学系や、図７に示すような、１本のエネルギービームを分割してから再度合成する光学系が例示できるが、光学系はこれらに限定されず、線状のビームを形成することができるものであれば、マルチレンズアレイを用いたもの、パウエルレンズとシリンドリカルレンズとを組み合わせたもの、回折光学素子を用いたもの等でも良い。
【００５４】
図７においては、エネルギービーム出射器１２１、シャッター１２２、光アイソレータ１２３、レンズ１２４，１２５からなるビームエキスパンダー１２６、を備えたエネルギービーム照射機構１２が設けられる。また、エネルギービーム照射機構から出射されたエネルギービームを整形して基板ステージ上に入射させるために、ミラー１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｄ、波長板１３２、偏光ビームスプリッター１３３、シリンドリカルレンズ１３４としての長軸用シリンドリカルレンズ１３４ａおよび短軸用シリンドリカルレンズ１３４ｂ、からなるエネルギー整形機構が設けられる。シャッター１２２は、図６に示すシャッター１２２ａ，１２２ｂと同様、高速での開閉動作が可能なものとされる。
【００５５】
エネルギービーム出射器１２１から出射されたエネルギービームは、シャッター１２２が開放されている場合には該シャッター１２２を通過し、反射戻り光を阻止するための光アイソレータ１２３を経て、ビームエキスパンダー１２６に達する。ビームエキスパンダー１２６は、レンズ１２４，１２５によってエネルギービームのビーム径を所望の範囲に調整する。光アイソレータについては、戻り光の影響がない場合は省いても良く、ビームエキスパンダーについても、レーザビームの合成をしない場合、または個々のエネルギービーム出射器のビーム広がり角、ビーム径のばらつきの影響が小さい場合、ビーム径を変更する必要がない場合等は省略可能である。
【００５６】
その後、エネルギービームはシャッター２０を通って偏光ビームスプリッター１３３に達するが、シャッター２０を通った後のエネルギービームは、ハーフミラー１３５で２本に分割され、１本はミラー１３１ａおよびたとえば１／２波長板からなる波長板１３２を経て、もう１本はミラー１３１ｂを経て、それぞれ偏光ビームスプリッター１３３に達し、再度１本のエネルギービームに合成される。１本に合成されたエネルギービームは、ミラー１３１ｄと、長軸用シリンドリカルレンズ１３４ａおよび短軸用シリンドリカルレンズ１３４ｂからなるシリンドリカルレンズ１３４とを経て、基板ステージ１１４上に照射される。
【００５７】
本発明の半導体製造装置に設けられるレンズ、ミラー等の光学部材の材料としては、出射されるエネルギービームの波長に応じて、プラスチック、ＢＫ７等のガラス、合成石英等の石英、フッ化カルシウム、等が考えられる。エネルギービームを効率良く使用できる点、および、光学部材の熱変形を最小限に抑えることができる点で、特に、レンズ、ミラーの材料としては、石英等の熱膨張係数の小さな材料が好ましい。
【００５８】
ミラーとしては誘電体多層膜ミラーが特に好ましく、またレンズとしては反射防止膜を備えたものが特に好ましい。ミラーの光反射率およびレンズの光透過率は、使用されるエネルギービームに対してそれぞれ９９％以上であることが好ましく、さらに９９．５％以上であることがより好ましい。
【００５９】
＜半導体製造方法＞
本発明はまた、上述したような半導体製造装置を用い、非単結晶半導体が表面に形成された基板をローラーの基板ステージに保持する基板保持工程と、回転軸を中心に回転ステージを回転させながら、エネルギービーム照射機構から非単結晶半導体にエネルギービームを照射し、非単結晶半導体を結晶化する照射工程と、を含み、照射工程において、該回転ステージの回転に伴ってエネルギービームが回転ステージの側面を螺旋状に走査する、半導体製造方法に関する。
【００６０】
本発明の半導体製造方法の典型的な態様について、図１に示す構成の半導体製造装置を用いる場合を例に説明する。
【００６１】
（基板保持工程）
基板保持工程においては、非単結晶半導体が表面に形成された基板を基板ステージ１１４に保持する。基板としては、たとえばポリイミド等の合成樹脂、ステンレス等の金属の他、ローラーの基板ステージ上に載せることが可能であれば、ガラスや石英等も使用できる。本発明においては、回転ステージの側面、すなわち曲面に基板ステージ１１４が形成されるため、基板としては、ポリイミド、ステンレス等から選ばれるフレキシブル基板が好ましい。この場合、基板を曲げることが出来るため、基板ステージ１１４上に基板を効率良く配置でき、よりスループット良く結晶化を行なうことができる。なお本発明において基板ステージ１１４が分割された複数の領域とされる場合には、たとえば、ＴＦＴに用いるための非単結晶半導体薄膜が表面に形成された複数の基板を基板ステージ１１４上に保持することができる。
【００６２】
本発明においては、基板上に非単結晶半導体を形成する前に、エネルギービーム照射の際の基板への熱的な影響を緩和する目的、および基板から半導体薄膜への不純物の拡散を防止する目的で、基板上に下地層を形成することが好ましい。下地層としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、あるいはこれらの積層構造からなる層が好ましく形成される。下地層はたとえばスパッタ法等によって形成できる。典型的な態様としては、たとえば、厚み１００ｎｍ程度の窒化シリコンと厚み２００ｎｍ程度の酸化シリコンとの積層構造からなる下地層が例示できる。
【００６３】
上記で形成した下地層の上に、非単結晶半導体を形成することができる。典型的には、たとえば非晶質シリコンを厚み５０ｎｍ程度でスパッタ法等により形成することができる。
【００６４】
上記で下地層および非単結晶半導体を形成した基板を基板ステージ１１４上に保持する。保持方法としては、たとえば、真空吸着、静電チャック、機械的な保持具を使用した固定等の方法が例示できる。
【００６５】
（光学系調整工程）
光学系の調整は、ローラー、エネルギービーム照射機構、エネルギービーム整形機構の相対的な位置関係を調整することにより適宜行なうことができる。
【００６６】
（照射工程）
本発明の半導体製造方法においては、回転軸１１１を中心に回転ステージ１１を回転させながら、エネルギービーム照射機構１２から基板に向かい、たとえばＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ等のＣＷレーザをエネルギービームとして照射し、非単結晶半導体を結晶化する。典型的には、たとえば、ＹＶ０４レーザの第２高調波である波長５３２ｎｍのビーム等を用いることができる。エネルギービーム照射機構１２から出射されたエネルギービームは、シリンドリカルレンズ等の光学部材を備えたエネルギービーム整形機構１３を経てたとえば線状ビームに整形された上で非単結晶半導体に照射されることが好ましい。
【００６７】
照射工程においては、基板ステージ上でのエネルギービームの走査速度が２０〜２００ｃｍ／ｓｅｃ程度、たとえば４０ｃｍ／ｓｅｃとなるように回転ステージ１１２を回転させることが好ましい。同時に、回転ステージ１１２の回転に伴ってエネルギービームが基板ステージ上に螺旋状に走査されるように、エネルギービームを回転軸１１１の方向に相対的に移動させる。
【００６８】
エネルギービームを回転軸１１１の方向に相対的に移動させるためには、エネルギービームそのものを移動させても、回転ステージ１１２を移動させても良い。エネルギービームを移動させる方法としては、例えば、ミラーとビーム整形機構とを移動用ステージに載置し、該移動用ステージを直線上で移動させる方法等が採用され得る。
【００６９】
エネルギービームの回転軸１１１方向の移動速度は、エネルギービームが有効に結晶化できる非単結晶半導体の回転軸方向の幅とローラー１１の回転速度に依存するが、たとえば１度の走査で回転軸方向の幅が５００ｕｍの結晶化領域が形成される場合、回転ステージ１１２が１回転する間に、エネルギービームが回転軸１１１方向に４５０ｕｍ程度、相対的に移動するようにすることが好ましい。このようなエネルギービーム照射により、非単結晶半導体を連続的に結晶化させることができる。
【００７０】
本発明においては、非単結晶半導体上にエネルギービームを走査することにより、エネルギービームの走査方向に半導体結晶を成長させることができる。エネルギービームは回転ステージの側面に螺旋状に走査されるため、半導体結晶は回転ステージの回転軸に対して傾斜した方向に成長することとなる。たとえば、エネルギービーム照射によって多結晶シリコンをラテラル成長させる場合、上記のようなエネルギービーム照射によって、大粒径の多結晶シリコン（ラテラル結晶）を得ることができる。このラテラル結晶はエネルギービームの走査方向に細長い結晶となる。
【００７１】
＜結晶性半導体の用途＞
上記のような半導体製造方法で生成させた結晶性半導体は、たとえばＴＦＴ等の用途に用いることができる。ＴＦＴは、上記の結晶性半導体として多結晶シリコンを形成し、該多結晶シリコンをたとえば所望のＴＦＴの形状にパターニングする工程等を経て製造することができる。以下に典型的なＴＦＴの形成方法の例について説明する。
【００７２】
本発明の半導体製造装置または半導体製造方法で製造される結晶性半導体をＴＦＴの用途に用いる場合には、目的のＴＦＴの形状、サイズに分割された状態で、非単結晶半導体としての非晶質シリコン薄膜を形成した基板をローラーの基板ステージ上に設置しておくことが好ましい。
【００７３】
このような非晶質シリコン薄膜の結晶化により得た島状の多結晶シリコン薄膜を、所望のＴＦＴの形状にパターニングする。このとき、高性能なＴＦＴが必要な場合は多結晶シリコン薄膜中の結晶の長軸方向がＴＦＴの電流の流れる方向となるようにすることが好ましいが、高性能なＴＦＴが必要でない場合は該長軸方向がＴＦＴの電流の流れる方向に対して垂直または斜めでも良い。
【００７４】
なお、非晶質シリコン薄膜の結晶化の前に、シリコンの動作層よりも大きな島状領域を形成してもよい。この場合、該島状領域をパターニングすることによりシリコンの動作層を形成することができる。
【００７５】
次に、多結晶シリコン薄膜が形成された基板の、該多結晶シリコン薄膜の形成面側（以下、基板の上面側とも称する）の全面に、ゲート絶縁膜として、例えばＳｉＯ2膜を約１００ｎｍ程度またはそれ以下の厚さに形成し、該ゲート絶縁膜で多結晶シリコン薄膜を覆う。その後、ゲート絶縁膜の上に、導電膜（例えばアルミニウム膜）を３００ｎｍ程度の厚さに形成する。そして、フォトレジストを使用して、該導電膜の上に、所望のゲート電極形状のレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンをマスクにして導電膜をエッチングすることにより、ゲート電極を形成する。その後、レジストパターンを除去する。
【００７６】
次に、ゲート電極をマスクとしてゲート絶縁膜をパターニングし、ゲート電極で覆われた部分以外の部分のゲート絶縁膜を除去する。その後、ゲート電極をマスクとして、多結晶シリコン薄膜に、例えばｎ型不純物としてＰ（リン）を、加速エネルギーが例えば１０ｋｅＶ、ドーズ量が４×１０14ｃｍ-2の条件でイオンドープし、ソース・ドレイン領域を形成する。その後、熱アニール、ＲＴＡ、あるいはレーザアニール等によりソース・ドレイン領域の不純物を活性化させる。
【００７７】
次に、基板の上面側の全面に、層間絶縁膜として、例えば酸化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を、たとえば２００〜９００ｎｍの厚さに形成する。次いで、該層間絶縁膜に、ソース・ドレイン領域に通じるコンタクトホールを形成した後、基板の上面側の全面に金属膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ法により該金属膜をパターニングして、ソース・ドレイン電極を形成する。上記のような方法により、ＴＦＴが完成する。
【００７８】
今回開示された実施の形態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。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の半導体製造装置および半導体製造方法は、たとえば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬなどの画像表示装置や、基板上に表示装置、駆動回路、メモリ、ＣＰＵ等が集積されたシステム・オン・パネル、イメージセンサ等の分野に使用される半導体薄膜、特に大粒径の多結晶シリコン薄膜の製造に対して好ましく適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の半導体製造装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明におけるエネルギービームの照射方法の例について説明する概略図である。
【図３】図２に示す回転ステージ１１２の側面の一部を示す図である。
【図４】本発明におけるエネルギービームの照射方法の別の例について説明する概略図である。
【図５】図４に示す回転ステージ１１２の側面の一部を示す図である。
【図６】本発明に適用され得るエネルギービーム照射機構およびエネルギービーム整形機構の構成の例について説明する概略図である。
【図７】本発明に適用され得るエネルギービーム照射機構およびエネルギービーム整形機構の構成の例について説明する概略図である。
【図８】本発明におけるエネルギービームの照射領域について説明する概略図である。
【図９】本発明におけるエネルギービームの照射領域について説明する概略図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  半導体製造装置、１１  ローラー、１２，１２ａ，１２ｂ  エネルギービーム照射機構、１３  エネルギービーム整形機構、１４  チャンバー、１５  温度センサー、１６  機械制御部、１７  エネルギービーム制御部、１８  光学制御部、１９  温度制御部、２０，２０ａ，２０ｂ  シャッター、１１１  回転軸、１１２  回転ステージ、１１３  回転モーター、１１４  基板ステージ、１１５  基板、１１６，８１６，９１６  非単結晶半導体、１１７，１１８，８１７，９１７  結晶性半導体、１２１，１２１ａ，１２１ｂ  エネルギービーム出射器、１２２，１２２ａ，１２２ｂ  シャッター、１２３，１２３ａ，１２３ｂ  光アイソレータ、１２４，１２４ａ，１２４ｂ，１２５，１２５ａ，１２５ｂ  レンズ、１２６，１２６ａ，１２６ｂ  ビームエキスパンダー、１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ  ミラー、１３２  波長板、１３３  偏光ビームスプリッター、１３４  シリンドリカルレンズ、１３４ａ  長軸用シリンドリカルレンズ、１３４ｂ  短軸用シリンドリカルレンズ、１３５  ハーフミラー。
【図１】
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【図２】
2008108963.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008108963.tif 000008
【図７】
2008108963.tif 000009
【図８】
2008108963.tif 000010
【図９】
2008108963.tif 000011