(57)【要約】【課題】ラテラル成長方向の距離をより長くして、良質の多結晶化半導体薄膜を効率よく製造する結晶化半導体薄膜の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】パルス放射する微細幅のスリット状のエネルギービームを半導体薄膜５に照射して、該エネルギービームの照射領域における上記半導体薄膜５を厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う結晶化半導体薄膜の製造方法であって、上記半導体薄膜５には、主ビーム６と、主ビーム６よりも小さいエネルギー密度を有し、かつ上記主ビーム６と隣り合うように副ビーム７を照射する【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主エネルギービームと、単位面積あたりのエネルギーが該主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームとを、基板上に形成された半導体薄膜に、パルス照射することにより該半導体薄膜を厚さ方向の全域にわたって溶融させて、その後結晶化させることにより結晶化半導体薄膜を製造する結晶化半導体薄膜の製造方法であって、
上記主エネルギービームと隣り合うように副エネルギービームを、照射することを特徴とする結晶化半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
上記主エネルギービームの照射を、半導体薄膜面における副エネルギービームの照射による、単位面積あたりのエネルギーが最大になった時点で開始することを特徴とする請求項１記載の結晶化半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
上記主エネルギービームと副エネルギービームとの波長を互いに異ならせることを特徴とする請求項１または２記載の結晶化半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
上記基板は、該基板と半導体薄膜との間に、熱伝導性絶縁膜が形成されているとともに、
上記熱伝導性絶縁膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムから選択される少なくとも１種類の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶化半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
主エネルギービームと、単位面積あたりのエネルギーが該主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームとを、基板上に形成された半導体薄膜に対してパルス照射するエネルギービーム照射手段を備えた、結晶化半導体薄膜の製造装置であって、
上記エネルギービーム照射手段は、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっていることを特徴とする結晶化半導体薄膜の製造装置。
【請求項６】
上記エネルギービーム照射手段は、半導体薄膜に照射される上記主エネルギービームと副エネルギービームとのパターンを形成するマスクと、
上記マスクを透過した上記主エネルギービームと副エネルギービームとを半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、
上記マスクには、主エネルギービームのパターンと、該主エネルギービームのパターンと隣り合うように副エネルギービームのパターンとが形成されていることを特徴とする請求項５記載の結晶化半導体薄膜の製造装置。
【請求項７】
主エネルギービームをパルス照射する第１ビーム照射部と、
上記第１ビーム照射部から照射される主エネルギービームのパターンを形成する第１のマスクと、
単位面積あたりのエネルギーが上記主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームを照射する第２ビーム照射部と、
上記第２ビーム照射部から照射される副エネルギービームのパターンを形成する第２のマスクと、
上記第１のマスクと第２のマスクとによりそれぞれ形成されたパターンを、半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、
上記第１のマスクと第２のマスクとは、副エネルギービームが、主エネルギービームと隣り合うように半導体薄膜上に照射されるパターンを形成するようになっていることを特徴とする結晶化半導体薄膜の製造装置。
【請求項８】
上記第１ビーム照射部からの主エネルギービームの照射と、第２ビーム照射部からの副エネルギービームの照射との照射タイミングを制御する制御手段と、
上記第１ビーム照射部からの主エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーと、上記第２ビーム照射部からの副エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーとを個別に調節可能な調節手段とを備えることを特徴とする請求項７記載の結晶化半導体薄膜の製造装置。
【請求項９】
上記第１ビーム照射部および第２ビーム照射部は、互いに波長の異なるエネルギービームを照射するようになっていることを特徴とする請求項７または８記載の結晶化半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギービーム、特にレーザ光を利用して結晶化半導体薄膜を製造する結晶化半導体薄膜の製造方法、及び、製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）等を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタは、非晶質もしくは多結晶のシリコンを活性層として用いられている。このうち、多結晶シリコンを活性層とした薄膜トランジスタ（結晶化半導体薄膜）は、電子の移動度が非晶質シリコンを活性層とした薄膜トランジスタと比べて高いために、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較して、多くの長所を有している。
【０００３】
具体的には、例えば、多結晶シリコンを活性層とした薄膜トランジスタは、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や、一部の周辺回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、その他の長所としては、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化を図ることができる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
上記のような、多結晶シリコン薄膜（結晶化半導体薄膜）の製造方法には、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要となる。
【０００６】
非晶質シリコンを多結晶化（結晶化）する工程としては、例えば、６００℃以上の高温でアニールする高温アニール法等がある。しかし上記方法によって多結晶シリコンを製造する場合、非晶質シリコンを積層している基板として、上記のような高温に絶えるだけの高価なガラス基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。ところが、近年では、レーザ光を用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行う技術が一般化されており、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００７】
レーザ光を用いた結晶化技術としては、例えば、非晶質（アモルファス）シリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱して、上記ガラス基板を一定速度で走査させながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームを上記ガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法を用いると、アモルファスシリコン薄膜の厚さと同程度の平均粒径を有する多結晶シリコン薄膜を形成することができる。このとき、レーザビームが照射された部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融することとなる。これによって、レーザ照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜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こととなる。
【０００８】
ところが、さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすること、成長する結晶の方向を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的として数多くの研究開発がなされている。
【０００９】
具体的には例えば、特許文献１に結晶をより大きくするための技術が開示されている。
【００１０】
その中でも特に、特許文献１にはスーパーラテラル成長と称する技術が開示されている。該特許文献に記載の方法は、微細幅のパルスレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄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。
【００１１】
図９は、スーパーラテラル成長による結晶化のプロセスを説明する図面である。図９（ａ）において、例えば、２〜３μｍの微細幅のレーザを半導体薄膜に照射し、領域７１の半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させると、未溶融領域の境界から横方向７２、すなわち、水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。図９（ａ）のように水平方向に結晶成長することをラテラル成長と呼ぶ。さらに、図９（ｂ）〜（ｃ）に示すように、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長する方向の揃った長結晶が得られると記載されている。図９（ｂ）〜（ｃ）のようにラテラル成長した結晶を引き継いでさらに大きな結晶を成長させることをスーパーラテラル成長と呼ぶ。
【００１２】
また、特許文献２には、第１のパルスビームに包含されるように第２のパルスビームを半導体薄膜に照射する構成が開示されている。
【００１３】
また、スーパーラテラル成長とは異なる結晶化のプロセスとしては、例えば、特許文献３に開示された技術がある。
【００１４】
【特許文献１】
特許３２０４９８６号公報（登録日；２００１年６月２９日）
【００１５】
【特許文献２】
特公平３−７９８６１号公報（公告日；１９９１年１２月２０日）
【００１６】
【特許文献３】
特公平４−２０２５４号公報（公告日；１９９２年４月２日）
【００１７】
【非特許文献１】
応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキストｐ．１９〜２５
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、結晶のラテラル成長方向の距離をより長く伸ばすことが困難である、または、ラテラル成長方向の距離をより長く伸ばすことができても非常に効率が悪いという問題点がある。以下に、上記特許文献１の問題点について詳述する。
【００１９】
上記特許文献１に開示の方法において、１回のパルス照射で成長する結晶の長さは、各種のプロセス条件と半導体薄膜の厚さによって異なり、基板温度３００℃として、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを照射した場合には、最長１〜１．２μｍ程度となることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００２０】
しかしながら、上記特許文献１に開示の方法では、図９（ｃ）に示すような針状の長結晶を形成するためには、１パルスのレーザ照射で成長する結晶長さ（以下、「ラテラル成長距離」と称す）の１／２〜１／３程度の送りピッチ、すなわち、０．３〜０．６μｍ程度の極めて微小な送りピッチでパルスレーザ照射を繰り返し行うことが必要である。このため、表示装置などに用いる基板の全面にわたって結晶化するには極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題点を有している。
【００２１】
また、上記特許文献２に開示の方法では、第１のパルスビームは第２のパルスビームを包含するように照射している。第１のパルスビームは、基板と半導体薄膜とのストレスとなるヒータ加熱を除去することを目的として、基板を予備加熱するために照射するものであり、特許文献２に記載の方法を実施するためには計２つのビーム照射手段を備える複雑な装置が必要となる。
【００２２】
また、薄膜トランジスタのチャネル長は、現状、数μｍ以上であるため、キャリアの移動方向に粒界のない結晶を得るには、数回以上の連続的成長を行う必要があった。しかしながら、１パルスのレーザ照射で数μｍ以上の針状結晶が成長し、そこにチャネルを形成することができれば、キャリアの移動度が高く、特性に優れた薄膜トランジスタを形成することが可能になる。
【００２３】
以上説明した理由により、スーパーラテラル成長技術においては、結晶のラテラル成長方向の距離をより一層伸ばすことが求められている。
【００２４】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ラテラル成長方向の距離をより長くして、良質の多結晶化半導体薄膜を効率よく製造する結晶化半導体薄膜の製造方法および製造装置を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記課題を解決するために、主エネルギービームと、単位面積あたりのエネルギーが該主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームとを、基板上に形成された半導体薄膜に、パルス照射することにより該半導体薄膜を厚さ方向の全域にわたって溶融させて、その後結晶化させることにより結晶化半導体薄膜を製造する結晶化半導体薄膜の製造方法であって、上記主エネルギービームと隣り合うように副エネルギービームを照射することを特徴としている。
【００２６】
上記の構成によれば、主エネルギービームと隣り合うように、副エネルギービームを照射するようになっている。一般に、主エネルギービームのパルス照射によって、融解された半導体薄膜は、周囲から結晶化することになる。このとき、本発明では、この融解された半導体薄膜の周囲に、上記主エネルギービームよりも、単位面積あたりのエネルギーの小さい副エネルギービームを、上記主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっている。そして、上記副エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーは、半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値よりも低く設定されている。これにより、融解された半導体薄膜は、従来と比べて、遅い冷却速度で冷却されることとなる。つまり、溶融された半導体薄膜が、結晶化する際、徐々に結晶化することとなる。これにより、結晶化半導体薄膜の結晶の大きさを従来と比べて、大きくすることができる。なお、上記主エネルギービームは、半導体薄膜を溶融させることができる。つまり、主エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーは、半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値よりも高く設定されている。つまり、上記の構成とすることにより、半導体薄膜における溶融領域を精密に制御することに加えて、溶融した半導体薄膜の結晶化の速度（凝固）の制御も行うことができる。
【００２７】
従って、半導体薄膜へ与えるエネルギーの空間的温度分布を変化させることができ、凝固（結晶化）時の時間的、空間的温度変化を緩やかにしているので、その結果、ラテラル成長法によって形成される針状結晶（半導体薄膜を構成する材料からなる結晶）の長さ（ラテラル成長距離）を伸長することが可能になる。
【００２８】
また、主ビームと隣り合うように副ビームを照射することにより、例えば、複数のエネルギーの異なるパルスレーザを同一箇所に複数照射して、半導体薄膜を結晶化させる構成等と比べて、短時間で結晶化半導体薄膜を製造することができる。これにより、従来と比べて、結晶化半導体薄膜の製造効率がよい。
【００２９】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記主エネルギービームの照射を、半導体薄膜面における副エネルギービームの照射による、単位面積あたりのエネルギーが最大になった時点で開始する構成とすることがより好ましい。
【００３０】
上記の構成によれば、主エネルギービームを、副エネルギービームの照射を開始して、半導体薄膜面における単位面積あたりのエネルギーが最大になった時点で照射するようになっている。
【００３１】
これにより、半導体薄膜の空間的温度分布を最適化することができて、半導体薄膜の結晶化時（凝固時）の時間的、空間的温度変化も最適化できるので、その結果、ラテラル成長法によって形成される針状結晶の長さをさらに伸長することが可能になる。
【００３２】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記主エネルギービームと副エネルギービームとの波長を互いに異ならせる構成とすることがより好ましい。
【００３３】
上記の構成によれば、主エネルギービームと副エネルギービームとの波長を互いに異ならせるように半導体薄膜に照射するようになっている。つまり、互いに異なる２つのエネルギービームの経路（光路）を利用して、半導体薄膜にエネルギービームを照射するようになっている。これにより、２つの光路を合成して半導体薄膜に照射する際に、エネルギービームの利用効率を向上させることができるので、より効率的に半導体薄膜を融解させた後、再結晶化することが可能になる。
【００３４】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記基板は、該基板と半導体薄膜との間に、熱伝導性絶縁膜が形成されているとともに、上記熱伝導性絶縁膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムから選択される少なくとも１種類の材料によって形成されている構成とすることがより好ましい。
【００３５】
上記の構成によれば、基板と半導体薄膜との間に、熱伝導性絶縁膜を設けることにより、基板に対して照射されたエネルギービームによる熱を半導体薄膜の水平方向に早く伝えることができるので、水平方向への結晶成長（ラテラル成長）を促進することができる。つまり、結晶化する方向を水平方向に誘導することができるので、より大きな結晶で構成された結晶化半導体薄膜を製造することができる。
【００３６】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記課題を解決するために、主エネルギービームと、単位面積あたりのエネルギーが該主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームとを、基板上に形成された半導体薄膜に対してパルス照射するエネルギービーム照射手段を備えた、結晶化半導体薄膜の製造装置であって、上記エネルギービーム照射手段は、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっていることを特徴としている。
【００３７】
上記の構成によれば、上記エネルギービーム照射手段は、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっている。これにより、主ビームに対して、副ビームを隣り合うように、半導体薄膜に照射することができるので、ラテラル成長距離の大きな結晶を有する結晶化半導体薄膜を製造する製造装置を提供することができる。
【００３８】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記エネルギービーム照射手段は、半導体薄膜に照射される上記主エネルギービームと副エネルギービームとのパターンを形成するマスクと、上記マスクを透過した上記主エネルギービームと副エネルギービームとを半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、上記マスクは、主エネルギービームのパターンと隣り合うように、副エネルギービームのパターンが形成されている構成がより好ましい。
【００３９】
上記の構成によれば、マスクのパターン形状によって、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっている。従って、例えば、マスクのパターン形状を変えることにより、主エネルギービームと副エネルギービームとの形状を簡単に変えることができるので、エネルギービームの最適化をより簡単に行うことができる。
【００４０】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記の課題を解決するために、主エネルギービームをパルス照射する第１ビーム照射部と、上記第１ビーム照射部から照射される主エネルギービームのパターンを形成する第１のマスクと、単位面積あたりのエネルギーが上記主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームを照射する第２ビーム照射部と、上記第２ビーム照射部から照射される副エネルギービームのパターンを形成する第２のマスクと、上記第１のマスクと第２のマスクとによりそれぞれ形成されたパターンを、半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、上記第１のマスクと第２のマスクとは、副エネルギービームが、主エネルギービームと隣り合うように半導体薄膜上に照射されるパターンを形成するようになっていることを特徴としている。
【００４１】
上記の構成によれば、２つのエネルギービーム照射手段を用いて、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっている。これにより、主ビームに対して、副ビームを隣り合うように、半導体薄膜に照射することができるので、ラテラル成長距離の大きな結晶を有する結晶化半導体薄膜を製造する製造装置を提供することができる。また、２つのエネルギービーム照射手段を用いることにより、例えば、互いに波長の異なるエネルギービーム等を簡単に作り出すことができる。
【００４２】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記第１ビーム照射部からの主エネルギービームの照射と、第２ビーム照射部からの副エネルギービームの照射との照射タイミングを制御する制御手段と、上記第１ビーム照射部からの主エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーと、上記第２ビーム照射部からの副エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーとを個別に調節可能な調節手段とを備える構成がより好ましい。
【００４３】
上記の構成によれば、エネルギービームの照射タイミングとエネルギーとを別個に調整するようになっているので、エネルギービームの利用効率を上げることができる。
【００４４】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記第１ビーム照射部および第２ビーム照射部は、互いに波長の異なるエネルギービームを照射するようになっている構成がより好ましい。
【００４５】
上記の構成によれば、波長の異なるエネルギービームを用いて、結晶化半導体を製造するようになっている。これにより、例えば、レーザ光等のエネルギービームの利用効率を向上させることができるので、再結晶化の効率をより高めることが可能になる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１ないし図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。まず、本実施の形態の結晶化半導体薄膜の製造方法に用いる半導体薄膜を有する基板について説明する。
【００４７】
本実施の形態に使用する半導体薄膜を有する基板は、図１に示すように、絶縁性基板１上に、耐熱性薄膜２、高熱伝導性絶縁膜（熱伝導性絶縁膜）３、バッファ膜４、半導体薄膜５を順に積層したものである。
【００４８】
絶縁性基板１は、ガラスや石英等を用いることができるが、安価である点、大面積基板を容易に製造できる点でガラスを用いることが望ましい。本実施の形態では０．７ｍｍの厚さのガラス基板を用いている。
【００４９】
耐熱性薄膜２は、主として結晶化の際に溶融した半導体薄膜５の熱影響が絶縁性基板１に及ばないようにするために形成する。本実施の形態においては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成された１００ｎｍの厚さの酸化シリコンを用いている。
【００５０】
高熱伝導性絶縁膜３は、水平方向に熱を逃がすことにより水平方向７２への結晶成長（ラテラル成長）を促進するために用いられる。つまり、結晶化する方向を誘導することにより、結晶をより大きく成長させるために用いられる。また、高熱伝導性絶縁膜３の膜厚としては、１０〜５０ｎｍの範囲内がより好ましい。高熱伝導性絶縁膜３の製造方法としては、例えば、蒸着、イオンプレーティング、又はスパッタリングなどにより積層すればよい。本実施の形態においては、スパッタリングにより形成された２０ｎｍ厚の窒化アルミニウムとした。この高熱伝導性絶縁膜３は、必要に応じて設ければよい。
【００５１】
上記高熱伝導性絶縁膜３を構成する材料としては、具体的には、例えば、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムから選択される少なくとも１種類の材料が好適に使用することができる。
【００５２】
上記高熱伝導性薄膜３を形成することにより、エネルギービームの照射端から未照射部への熱流入が促進されることにより、従来と比べて、ラテラル成長距離の大きい結晶を得ることができる。
【００５３】
バッファ層４は、半導体薄膜５への、例えば、高熱伝導性絶縁膜３や、耐熱性薄膜２等の下層膜からの不純物拡散防止、並びに、結晶化の際に半導体薄膜５と高熱伝導性薄膜３との反応（例えば、合金化）を防止するために必要に応じて形成すればよい。本実施の形態においては、ＣＶＤ法により形成された２０ｎｍ厚の酸化シリコンを用いている。
【００５４】
半導体薄膜５は、非晶質もしくは結晶性の半導体材料を膜厚が３０〜２００ｎｍの範囲内となるように形成すればよい。本実施の形態においては、ＣＶＤ法により形成された５０ｎｍの厚さのアモルファスシリコンを用いている。そして、上記半導体薄膜５を多結晶化させることにより、最終的に製品として使用される結晶化半導体薄膜を得ることができる。
【００５５】
以下に、上記説明した半導体薄膜５を有する基板にレーザを照射して、上記半導体薄膜５を多結晶化する方法、すなわち、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法について説明する。本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、主エネルギービーム（以下、主ビームと称する）と、単位面積あたりのエネルギーが該主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービーム（以下、副ビームと称する）とを、基板上に形成された半導体薄膜に、パルス照射することにより該半導体薄膜を厚さ方向の全域にわたって溶融させて、その後結晶化させることにより結晶化半導体薄膜を製造する結晶化半導体薄膜の製造方法であって、上記主エネルギービームと隣り合うように副エネルギービームを、照射する方法である。
【００５６】
図１に示すように、本実施の形態においては、半導体薄膜５を溶融・凝固させて再結晶化を行うための主ビーム６と、半導体薄膜５の温度を上昇させる目的で上記主ビーム６に近接する副ビーム７とを、上記半導体薄膜５に照射することで、従来よりも結晶（結晶粒径）の大きい結晶化半導体薄膜を製造するようになっている。まず、上記のようなビーム（主ビーム６および副ビーム７）を形成（照射）ための装置、すなわち、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置について説明する。
【００５７】
本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、主エネルギービームと、単位面積あたりのエネルギーが該主ビーム６よりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副ビーム７とを、基板上に形成された半導体薄膜に対してパルス照射するエネルギービーム照射手段を備えた、結晶化半導体薄膜の製造装置であって、上記エネルギービーム照射手段は、上記副ビーム７を、主ビーム６と隣り合うように照射するようになっている構成である。
【００５８】
より詳細には、主ビーム６と、単位面積あたりのエネルギーが該主ビーム６よりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副ビーム７とを、基板上に形成された半導体薄膜に対してパルス照射するエネルギービーム照射手段と、半導体薄膜に照射される上記主ビーム６と副ビーム７とのパターンを形成するマスクと、上記マスクを透過した上記主ビーム６と副ビーム７とを半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、上記マスクは、主ビーム６のパターンと隣り合うように、副ビーム７のパターンが形成されている構成である。なお、上記パルス照射するとは、パルスエネルギービーム（例えば、パルスレーザ）を照射することを示している。
【００５９】
本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、図２に示すように、レーザ発振器６１、可変減衰器６３、ビーム整形素子６４、マスク面均一照明素子６５、フィールドレンズ６６、マスク６７、結像レンズ６８を備えている。なお、以下の説明では、エネルギービームがレーザ光である構成について説明する。また、本実施の形態では、上記レーザ発振器６１、可変減衰器６３、ビーム整形素子６４、マスク面均一照明素子６５、フィールドレンズ６６、マスク６７、および、結像レンズ６８等によりエネルギー照射手段が構成されている。
【００６０】
レーザ発振器６１は、パルス状のレーザ光（エネルギービーム）を照射するものである。上記レーザ発振器６１から照射されるレーザ光の単位面積あたりのエネルギーとしては、半導体薄膜５（例えば、アモルファスシリコン）を溶融することが可能であれば、特に限定されるものでない。また、上記のようなエネルギーを有するレーザ光を照射することができるレーザ発振器６１としては、例えば、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、紫外域の波長を有する光源が望ましい。本実施の形態では波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用いている。
【００６１】
可変減衰器６３は、基板面に到達するレーザ光のエネルギー密度（単位面積あたりのエネルギー）を調整する機能を有している。
【００６２】
ビーム整形素子６４およびマスク面均一照明素子６５は、レーザ発振器６１から出射したレーザ光を適当な寸法に整形した後、マスク面に均一に照明する機能を有している。これは、例えば、レーザ発振器６１から照射されたガウシアン型の強度分布（エネルギー分布）のレーザ光を、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを用いることによって、分割してマスク面に重ねあわせて照明することで、均一な強度分布のマスク照明とするものである。
【００６３】
フィールドレンズ６６は、マスク６７を透過する主ビーム６および副ビーム７を結像レンズ６８の結像面に垂直に入射させる機能を有する。
【００６４】
マスク６７は、該マスク６７に照射されてきたレーザ光を、主ビーム６と副ビーム７とに分けて透過させるようになっている。つまり、該マスク６７に形成されたパターンにより、主ビーム６と副ビーム７とを作りだすようになっている。該マスク６７に形成されるパターンについては後述する。
【００６５】
そして、マスク６７を透過した主ビーム６と副ビーム７とは、結像レンズ６８によって、半導体薄膜５を有する基板６９上に所定倍率で結像される。上記所定倍率は、結像レンズ６８の倍率によって変化する。本実施の形態において、結像レンズの倍率は１／４としている。
【００６６】
また、ミラー６２はレーザ光を折返すために用いるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【００６７】
図３は、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置のマスク６７に形成するパターンを説明する正面図である。本実施の形態では、マスク６７に、主ビーム形成用パターン２１の両側に近接して副ビーム形成用パターン２２が形成されている。具体的には、主ビーム形成用パターン２１と隣り合うように、副ビーム形成用パターン２２が形成されている。これにより、レーザ発振器６１から出射したレーザ光は、半導体薄膜５に対して、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射することができる。なお、本実施の形態では、主ビーム６形成パターン２１と２つの副ビーム形成用パターン２２とを１組として、複数のパターン群を形成することが可能である。図３では、３組のパターン群を形成している。
【００６８】
ここで、主ビーム形成用パターン２１と副ビーム形成用パターン２２の寸法関係について説明する。
【００６９】
主ビーム形成用パターン２１の幅は、（ラテラル成長距離の２倍／結像レンズの倍率）程度とすればよい。上記幅としては、具体的には、例えば、１２から６０μｍ程度の間で設定することが可能である。本実施の形態においては、主ビーム形成用パターン２１の幅を２４μｍとしている。
【００７０】
副ビーム形成用パターン２２の幅は、結像レンズの解像度に応じて設定する。副ビーム形成用パターン２２の幅を（結像レンズの解像度／結像レンズの倍率）と同程度以下とすれば、上記副ビーム形成用パターン２２を透過したビームのエネルギー密度は、主ビーム６の単位面積あたりのエネルギー（以下、エネルギー密度と称する）よりも充分に小さくすることが出来る。これを利用し、本実施の形態では、主ビーム６のエネルギー密度を半導体薄膜の厚さ方向全体を溶融できるようにし、かつ副ビーム７のエネルギー密度を半導体薄膜５が溶融（融解）しないようなエネルギー密度とするように副ビーム形成用パターン２２の幅を設定している。つまり、主ビーム６を半導体薄膜５に照射することによって、該半導体薄膜５を厚さ方向（基板上に積層されている積層方向）の全体を融解するエネルギー密度に設定する。その一方で、副ビーム７はそれ自体では、半導体薄膜５に照射した場合でも該半導体薄膜を融解させることがない。すなわち、副ビーム７のエネルギー密度は、主ビーム６よりも小さくかつ半導体薄膜５が溶融するエネルギーのしきい値より低くなるように設定している。換言すると、副ビーム７は、半導体薄膜５を結晶化しない程度、かつ、半導体薄膜５を暖めることができる程度のエネルギー密度を有していればよい。
【００７１】
具体的には、例えば、結像レンズの開口数（＝ＮＡ）を０．１５とし、使用する光の波長をλ（＝０．３０８μｍ）とすると、解像度Ｒは近似的にＲ＝λ／ＮＡ＝０．３０８／０．１５＝２．１μｍとなる。また、結像レンズの倍率は１／４であるので、副ビーム形成用パターン２２の幅を（解像度Ｒ／結像レンズの倍率）と同程度以下である４．０μｍとしている。
【００７２】
図４は、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置に用いる結像レンズ６８のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌｕｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を説明するグラフである。上記の説明のように、結像レンズの倍率は１／４であるので、結像レンズ６８を通過して、半導体薄膜５に照射される主ビーム６の幅が６μｍとなる。従って、このときの、空間周波数は１／（０．００６×２）＝８３（本／ｍｍ）となり、図４に示すような空間周波数とＭＴＦとの関係から、ＭＴＦ＝０．８９となる。また、上記と同様に、半導体薄膜５に照射される副ビーム７の幅が１μｍであるから、空間周波数は１／（０．００１×２）＝５００（本／ｍｍ）となり、このときのＭＴＦ＝０．３７となる。ＭＴＦは像のコントラストを示しているので、このようにマスクパターンのスリット幅を調整すれば、半導体薄膜上に照射されるエネルギー密度も同時に調整されることになり、主ビーム６で半導体薄膜５の厚さ方向全体を溶融して、副ビーム７で半導体薄膜５を溶融させない程度に暖めることが可能である。
【００７３】
主ビーム６と副ビーム７との間隔は、副ビーム７の幅を決定した理由と同様であり、本実施の形態では１．０μｍとした。
【００７４】
マスクパターン（主または副ビーム形成用パターンの幅）は、上記半導体薄膜上でのビームサイズと結像レンズの倍率から決定する。本実施の形態においては、倍率１／４の結像レンズを用いたので、マスクパターンは上記半導体薄膜５上に照射されるビームサイズと比べて４倍の寸法になっている。
【００７５】
以上のような構成の製造装置を用いて、結晶化半導体薄膜を製造する。具体的には、本実施の形態では、レーザ光を上記半導体薄膜５に照射する際、上記主ビーム６と隣り合うように副ビーム７を照射することにより、結晶化半導体薄膜を製造している。
【００７６】
ここで、上記のように、レーザ光を半導体薄膜５に照射した場合の温度分布について説明する。
【００７７】
図５は、有限要素法による非定常熱伝導の計算結果を説明するグラフである。図５（ａ）〜（ｄ）は、時系列の温度プロファイルである。各グラフの横軸はレーザ照射領域中心部からの位置（距離）を示しており、縦軸は半導体薄膜の下面の温度を示している。図５（ａ）〜（ｄ）において、融点とは、本実施の形態で用いた半導体薄膜５を形成する材料である、アモルファスシリコンの融点を示している。図５（ａ）は半導体薄膜全体の温度が最も上昇する時刻である照射開始時刻から２５ｎｓ後における温度プロファイルを示すグラフである。このとき、従来の結晶化方法（従来例）では、レーザ照射領域中心部から２．２μｍの位置まで半導体薄膜が溶融しており、一方、本発明による結晶化方法では、レーザ照射領域中心部から２．４μｍの位置まで半導体薄膜が溶融していることがわかる。すなわち、従来例では、半導体薄膜が全厚さ方向にわたって完全溶融している領域は４．４μｍ幅の領域であるのに対して、本発明による方法では、４．８μｍとなる。なお、ここで説明している従来例とは、主ビーム６のみを半導体薄膜に照射する構成を示しており、具体的には、主ビーム６のエネルギー密度と、本実施の形態にかかる主ビーム６のエネルギー密度とを同じ状態で、該主ビーム６のみを照射する構成である。
【００７８】
図５（ｂ）〜（ｄ）は半導体薄膜が結晶化する（凝固する）過程の温度プロファイルを示しているグラフであり、それぞれ、照射開始時刻から６０ｎｓ、７０ｎｓ、１００ｎｓ後の温度プロファイルを示すグラフである。
【００７９】
本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、いわゆるラテラル成長法と称するものである。このラテラル成長法について、以下に説明する。半導体薄膜にレーザ射光を照射すると、該半導体薄膜が融解されて、半導体薄膜が厚さ方向の全体にわたって完全に融解している領域と未溶融（未融解）領域との境界部分に無数の結晶核が形成され、レーザ照射領域中心部に向かって結晶が成長することとなる。また、レーザ照射領域中心部では、基板方向に熱の移動が生じるので、微細な結晶が形成される。そして、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、温度プロファイルのグラフから半導体薄膜の結晶化の進行状態が判定できるので、このようなラテラル成長の状態を判定することができる。なお、本実施の形態の説明において、厚さ方向とは、基板上に積層された半導体薄膜の厚さの方向を示しており、ラテラル成長方向とは、基板の面内方向を示している。
【００８０】
まず、図５（ａ）〜（ｄ）に示すような温度プロファイルのグラフに基づいて、従来例の結晶化について説明する。例えば、従来例では、図５（ｂ）に示す温度プロファイルのグラフ、すなわち、時刻６０ｎｓにおいては、レーザ照射領域中心部の位置０から１．８μｍまでの間は、半導体薄膜の温度が、該半導体薄膜を構成している材料の融点以上になっている。すなわち、レーザ照射領域中心部の位置０から１．８μｍまでの間は、半導体薄膜が溶融している状態となっている。また、図５（ａ）に示す時刻２５ｎｓでは、上記位置０から２．２μｍまで溶融していることとなっている。従って、半導体薄膜にレーザ光を照射した時点２５ｎｓから６０ｎｓまでの間において、レーザ照射領域中心部の位置０から２．２μｍ離れた位置から、上記位置０から１．８μｍ離れた位置までの２．２−１．８＝０．４μｍの領域では、融解していた半導体薄膜が結晶化することとなる。つまり上記０．４μｍの領域では結晶が形成されていることになる。ところが、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように、半導体薄膜にレーザ光の照射を開始してから、６０ｎｓ〜７０ｎｓの間に至る１０ｎｓといった極めて短い時間に、レーザ光を照射した領域の全領域が融点以下となる。
【００８１】
このとき、前述の通り、レーザ照射領域中心部においては、ラテラル成長方向でなく、基板法線方向に熱の移動が生じるために、ラテラル成長とはならず、微細な結晶となる。つまり、上記１０ｎｓの間に、融解している半導体薄膜は、急激に冷却されることとなり、融点以下となってしまう。従って、融解している半導体薄膜の領域では、上記０．４μｍの領域で生成した結晶が成長するより前に、融解している半導体薄膜の全領域に渡って、微細な結晶が多数生成することとなる。これにより、従来例では、結晶の大きな結晶化半導体薄膜を得ることができない。
【００８２】
具体的には、従来例では、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すような、温度プロファイルのグラフからわかるように、ラテラル成長する範囲は融解した端（本従来例では、照射中心から２．２μｍの位置）から中央方向へ０．４μｍから０．６μｍの長さのラテラル成長が生じ、レーザ照射領域中心部から１．６ないし１．８μｍの範囲は微結晶となる。なお、スリットの幅をこれ以上広くしても、その分、レーザ照射領域中心部付近の微結晶の領域が大きくなるだけで、ラテラル成長の長さはほとんど変わることはない。
【００８３】
本実施の形態の場合について詳細に説明する。本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法では、半導体薄膜にレーザ光を照射した時点２５ｎｓから６０ｎｓまでの間において、半導体薄膜の融解している領域の推移は、上記説明の従来例と同様である。従って、上記レーザ光を照射した時点２５ｎｓから６０ｎｓまでの間では、２．４−１．８＝０．６μｍ程度の結晶が生成されることとなる。次に、上記レーザ光を照射した時点から６０ｎｓ後から、７０ｎｓ後までの１０ｎｓ間において融解している半導体薄膜の領域は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、レーザ照射領域中心部から１．８μｍ離れた位置から、該中心部から１．６μｍ離れた位置まで推移（移動）することとなる。つまり、上記１０ｎｓ間においては、１．８−１．６＝０．２μｍの領域だけが新たに半導体薄膜の融点以下となる部分となる。従って、この部分では、半導体薄膜の結晶化が起こることになる。この場合、上記０．２μｍの領域では、新たに微結晶が生成するよりも、レーザ照射領域中心部から１．８μｍ離れた位置にすでに生成している結晶を種結晶として結晶の成長が起こる。これは、従来例の場合と異なり、新たに結晶化される領域に種結晶の存在している位置が近いために、新たに微結晶が生成するよりも、既に存在している種結晶を中心として該種結晶が成長することとなる。
【００８４】
また、上記レーザ光を照射した時点から７０ｎｓ後から、１００ｎｓ後までの３０ｎｓ間において、融解している半導体薄膜の領域は、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、レーザ照射領域中心部から１．６μｍ離れた位置から、該中心部から１．５μｍ離れた位置まで推移（移動）することとなる。そして、この３０ｎｓの間に融点以下となった。１．６−１．５＝０．１μｍの領域においても、上記説明した理由により、既に生成している結晶を成長させることとなる。
【００８５】
従って、図５（ｄ）に示すレーザ光照射開始時点から１００ｎｓ後において、レーザ照射領域中心部から１．５μｍ離れた場所が融点以下になり、この部分の結晶化が始まる。このとき、結晶のラテラル成長の長さは、図５（ａ）及び（ｄ）より、２．４−１．５＝０．９μｍとなる。従って、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法では、従来例と比べて、成長する結晶のラテラル成長方向の長さが、従来例よりも５０〜１２５％増加する。換言すると、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、従来例と比べて、結晶のラテラル成長方向の長さを１．５〜２．２５倍にすることができる。
【００８６】
以上のように、有限要素法による非定常熱伝導の計算結果によると、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法を用いると、従来よりも、結晶のラテラル成長方向の長さを伸ばすことができることがわかる。
【００８７】
そして、上記説明した作用・効果を実証するために、実際に半導体薄膜にレーザを照射して結晶化実験を行うと、上記説明とほぼ同等の効果が得られた。つまり、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法を用いることにより、副ビーム７を主ビーム６と隣り合うように照射することにより、半導体薄膜の温度変化を緩やかにすることができるので、結晶化半導体薄膜における結晶のラテラル成長距離を拡大することできる。
【００８８】
以上のように、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、融解された半導体薄膜５の温度分布において、融解している半導体薄膜５の融点付近となる位置が時間と共に移動することに着目して、上記半導体薄膜５の融点付近となる位置の外側（本実施例では、主ビーム中心から４〜５μｍの距離）を副ビーム７で加熱することにより、該融点となる半導体薄膜５の位置の移動を遅くするものである。融解している半導体薄膜５は、その温度が融点以下になると結晶化することとなる。このとき、結晶化の速度を遅くする（結晶化の領域を狭くする）ことにより、生成する結晶、具体的には、結晶のラテラル成長方向の距離を大きくすることができる。本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法では、主ビーム６で融解させた半導体薄膜５の、結晶化が始まる部分（領域）の外側を副ビーム７により加熱することにより、一度に結晶化する領域を狭くしている。これにより、微結晶が生成する割合よりも、既に存在している種結晶を中心として結晶成長する割合を、従来と比べて高くしている。従って、従来よりも結晶が大きい結晶化半導体薄膜を製造することができる。
【００８９】
なお、上記説明では、主ビーム６と副ビーム７とをある一定の距離を隔てて隣り合うように、半導体薄膜５に照射する構成について説明した。しかしながら、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法においては、例えば、レーザ発振器から基板上に至る光路を分岐させた場合や、２つのレーザ照射手段を用いた場合には、主ビーム６と副ビーム７との一部が重なるような状態で隣り合うように、半導体薄膜５に上記２つのビームを照射するようになっていてもよい。ただし、主ビーム６と副ビーム７とが完全に重なることはない。また、上記半導体薄膜５に照射する主ビーム６と副ビーム７との間隔としては、上記半導体薄膜５に照射される主ビーム６の幅が３〜１５μｍの範囲内である場合には、例えば、１〜８μｍの範囲内がより好ましく、２〜６μｍの範囲内がさらに好ましい。上記間隔を上記範囲内とすることにより、より一層、生成する結晶の大きさ（結晶の粒径）を大きくすることができる。
【００９０】
また、上記の説明では、エネルギービームとして、レーザ光を用いる構成について説明したが、本発明のエネルギービームは、上記に限定されるものではなく、例えば、電子ビーム等を用いてもよい。
【００９１】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図６ないし図８に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００９２】
本実施の形態では、二台のレーザ照射装置を用いて、主ビーム６と副ビーム７の照射タイミングを調整することによって、さらにラテラル成長距離を伸ばすことが可能である。
【００９３】
具体的には、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、主エネルギービーム６をパルス照射する第１ビーム照射部と、上記第１ビーム照射部から照射される主エネルギービーム６のパターンを形成する第１のマスクと、単位面積あたりのエネルギーが上記主エネルギービーム６よりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービーム７を照射する第２ビーム照射部と、上記第２ビーム照射部から照射される副エネルギービーム７のパターンを形成する第２のマスクと、上記第１のマスクと第２のマスクとによりそれぞれ形成されたパターンを、半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、上記第１のマスクと第２のマスクとは、副エネルギービーム７が、主エネルギービーム６と隣り合うように半導体薄膜上に照射されるパターンを形成するようになっている構成である。なお、説明の便宜上、上記実施の形態１にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。具体的には、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の半導体薄膜を使用している。そして、その他各層（基板等）の構成も実施の形態１と同一としている。
【００９４】
本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置において、図６に示すように、第１のレーザ発振器（第１ビーム照射部）３１から半導体薄膜５を有する基板４４上に至る第１のレーザ光路、および、第２のレーザ発振器（第２ビーム照射部）３２から上記基板４４上に至る第２のレーザ光路を構成する光学部品、すなわち、可変減衰器（３３、３４）、ビーム整形素子（３５、３６）、マスク面均一照明素子（３８、３９）、マスク（４０、４１；調節手段）の構成は、それぞれ、図２に示す、実施の形態１にかかる製造装置の可変減衰器６３、ビーム整形素子６４、マスク面均一照明素子６５、フィールドレンズ６６、マスク６７と同様である。また、本実施の形態にかかる製造装置は、上記の他に、ビームスプリッタ４２およびパルスジェネレータ（制御手段）４５を備えている。また、上記第１のレーザ光路および第２のレーザ光路を構成する光学部品（ビームスプリッタ４２および結像レンズ４３を含む）等によりエネルギー照射手段が構成されている。
【００９５】
上記第１のレーザ光路では主ビーム６が形成され、第２のレーザ光路では副ビーム７が形成される。そして、ビームスプリッタ４２によって、上記第１のレーザ光路と、上記第２のレーザ光路が結合される。そして、結像レンズ４３で、第１のレーザ光路と第２のレーザ光路とから照射されたレーザ光を併せて、半導体薄膜５に照射するようになっている。
【００９６】
パルスジェネレータ４５は、レーザ発振器の発振タイミングを制御するために用いられる。いずれのレーザ発振器３１、３２もパルスジェネレータ４５から制御パルスが入力されると、遅延なくパルスレーザが照射されるように構成している。そして、上記パルスジェネレータ４５は、第１のレーザ発振器３１と第２のレーザ発振器３２とから照射されるパルスレーザの照射タイミングを制御することができる。
【００９７】
また、本実施の形態では、それぞれのレーザ発振器３１、３２から照射されるレーザ光のエネルギー（エネルギー密度）の調整は個々のレーザ光で独立して行えるように構成している。具体的には、第一の可変減衰器３３、第二可変減衰器３４または、第１のマスク４０、第２のマスク４１に形成するパターン形状等により、それぞれ別個にレーザ光のエネルギー密度を調整することができる。
【００９８】
レーザ発振器３１、３２から照射されるレーザ光（パルスレーザ）の波長は、いずれのレーザ光も３０８ｎｍに設定している。
【００９９】
第１のマスク４０と第２のマスク４１とは、順に主ビーム６、副ビーム７を形成するために用いられる。図７は本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置に用いるマスク、具体的には、マスクに形成されたパターンの構成を示す正面図である。主ビーム６を形成する第１のマスク４０は、図７（ａ）に示すように、所定の幅を有するスリットが３本形成されている。また、副ビーム７を形成する第２のマスク４１は、図７（ｂ）に示すように、上記主ビーム６よりも幅の小さいスリットが６本形成されている。なお、この図面では、主ビーム６と副ビーム７とのマスクパターン群が３組設けられている。従って、１つの主ビーム６と副ビーム７と（１組）に対応するマスクパターンは、１本の主ビーム形成用パターン５１と該パターンと一定の距離を隔てて隣り合っている２本の副ビーム形成用パターン５２である。本実施の形態では、各マスク４０、４１に形成されたパターンの寸法は実施の形態１と同一に設定している。
【０１００】
半導体薄膜５上に照射されるレーザ光のエネルギー密度は、実施の形態１と同様にマスクパターンの寸法によって調整されるが、個々のレーザ発振器３１、３２や個々の可変減衰器３３、３４でさらに詳細に調整することも可能である。レーザ光（パルスビーム）を照射するタイミングは、副ビーム７による保温的な効果が発現するように設定する。すなわち、副ビーム７によって半導体薄膜５が保温されている間に主ビーム６を照射する。具体的には、図８に示すように、副ビーム７の時間変化曲線において、副ビーム７の出力が最大になる時間ｔ２に薄膜の温度もほぼ最大になるので、このときに主ビーム６を照射するように構成している。
【０１０１】
本実施の形態の構成とすることによっても、実施の形態１と同様なシミュレーション結果が得られることが分かる。そして、実際に半導体薄膜５にレーザを照射して結晶化実験を行うと、上記シミュレーション結果とほぼ同等の効果が得られた。
【０１０２】
本実施の形態においては、副ビーム７を主ビーム６と隣り合うように照射するようになっている。これについては、例えば、▲１▼主ビーム６と副ビーム７とを完全に同期させて照射する、▲２▼予め副ビーム７を照射しておき、該副ビーム７が照射されている間に、主ビーム６を該副ビーム７と隣り合うように照射する、▲３▼予め主ビーム６を照射しておき、該主ビーム６が照射されている間に、副ビーム７を該主ビーム６と隣り合うように照射する等の方法によって照射すればよい。上記例示の照射方法のうち、半導体薄膜５を予め融解しない程度に加熱することができる点で、上記▲２▼の方法がより好ましい。そして、特に、副ビーム７の半導体薄膜５の面におけるエネルギー密度が最大付近になるタイミング、最も好ましくは最大になるタイミングで、主ビーム６の照射を開始することが好適である。
【０１０３】
上記半導体薄膜５を予め該半導体薄膜５が融解しない程度に加熱しておくことにより、半導体薄膜５を早く融解させることができるとともに、融解させた半導体薄膜５の領域の周囲を暖めておくことができるので、該融解した半導体薄膜５をゆっくりと結晶化させることができる。これにより、生成する結晶化半導体薄膜の結晶の大きさ（針状結晶の長さ）を、従来と比べてさらに大きくすることができる。
【０１０４】
〔実施の形態３〕
本発明の他の実施の形態について説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、上記実施の形態１および２にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１０５】
本実施の形態は、波長の異なる二台のレーザ光を用いて、主ビーム６と副ビーム７の照射タイミングを調整することによって、さらにラテラル成長距離を伸ばす構成である。本実施の形態においては、上記実施の形態１と同様の基板を使用している。
【０１０６】
また、本実施の形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、基本的に上記実施の形態２と同様であるが、副ビーム７を形成するための第２のレーザ発振器３２には、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを用いている。
【０１０７】
そして、主ビーム６と副ビーム７の寸法関係は、実施の形態２と同様に設定している。また、レーザ光（パルスレーザ）を照射するタイミング、各レーザ光のエネルギー密度の調整等も上記実施の形態２と同様に設定している。
【０１０８】
本実施の形態では、副ビーム７を形成するレーザの波長を５３２ｎｍに設定している。この理由について、以下に説明する。主ビーム６を形成するレーザ光としては、本実施の形態にかかる半導体薄膜５を形成しているアモルファスシリコンに対して、光透過率が低く、かつ、浸透深さの浅いものが好適である。一方、副ビーム７を形成するレーザ光は浸透深さが大きいものが好適である。ところで、強度Ｉ０の光が物質に入射したとき、入射表面から距離ｄの位置での強度Ｉは、Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−αｄ）と表される。ただし、αは吸収係数である。具体的には、アモルファスシリコンに対して、波長３０８ｎｍの光の吸収係数を１．２×１０６ｃｍ−１、波長５３２ｎｍの光の吸収係数を２．０×１０５ｃｍ−１とする。上式により、例えば、Ｉ／Ｉ０＜０．０１となるｄの値を求めると、波長３０８ｎｍの光の場合４０ｎｍ、波長５３２ｎｍの光の場合２３５ｎｍとなる。本実施の形態において、アモルファスシリコンからなる半導体薄膜５の厚さは５０ｎｍに設定しているので、波長３０８ｎｍの光はほとんど半導体薄膜５で吸収されるが、波長５３２ｎｍの光は、多くが半導体薄膜５を透過し、その下層、例えば、バッファ層４や、高熱伝導性絶縁膜３等に到達することとなる。従って、副ビーム７による保温的な効果は、半導体薄膜５での吸収係数が小さく、かつ、浸透深さの深い５３２ｎｍのレーザ光で行うほうが、より深い場所まで一様に温度を上昇させることができる。副ビーム７は、融解した半導体薄膜５の融点付近での急激な温度変化を防止するために照射するので、該副ビーム７として波長５３２ｎｍのレーザ光を照射することは上記目的を達成するためにはより好適である。なお、主ビーム６を形成するレーザ光として、５３２ｎｍのものを用いることも可能であるが、該主ビーム６はエネルギー密度が高いので、浸透深さが深くなるように照射する場合には、ガラス基板を含む半導体薄膜５の下層膜へ損傷を及ぼさないように注意が必要である。
【０１０９】
本実施の形態の構成とすることによっても、実施の形態１と同様なシミュレーション結果が得られることが分かる。そして、実際に半導体薄膜にレーザを照射して結晶化実験を行うと、上記シミュレーション結果とほぼ同等の効果が得られた。すなわち、ラテラル成長方向の距離が従来よりも長い結晶化半導体薄膜を製造することができる。
【０１１０】
なお、いずれの実施の形態においても、マスクの光透過部（マスクのパターン）の形状を矩形のスリットとして説明したが、パターンの形状はこれに限定されることなく、例えば、メッシュ形状、鋸歯形状、波状など種々のスリット状の形状を採用することができる。
【０１１１】
また、２つの光路を合成する場合、一般にビームスプリッタを用いるが、同一波長のレーザ光では、光利用効率が５０％となる。しかしながら、本実施の形態では、波長の異なるレーザ光を用いているので、ビームスプリッタを最適設計することにより、光利用効率を５０％以上にすることができる。
【０１１２】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、パルス放射する微細幅のスリット状のエネルギービームを半導体薄膜５に照射して、該エネルギービームの照射領域における上記半導体薄膜５を厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う結晶化半導体薄膜の製造方法であって、上記半導体薄膜５には、主ビーム６と、主ビーム６よりも小さいエネルギー密度を有し、かつ上記主ビーム６と隣り合うように副ビーム７を照射する方法であってもよい。
【０１１３】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記半導体薄膜５に上記副ビーム７を照射を開始した後、上記副ビーム７以上のエネルギー密度を有する主ビーム６を、上記副ビーム７の半導体薄膜５の表面におけるエネルギー密度が最大になるタイミングで照射を開始する方法であってもよい。
【０１１４】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記主ビーム６と上記副ビーム７の波長が異なるようにエネルギービーム照射する方法であってもよい。
【０１１５】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記半導体薄膜５の下層に窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウムなどの高熱伝導性絶縁膜３が形成されている構成であってもよい。
【０１１６】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、少なくともレーザ光６１と、マスク６７と、結像レンズ６８を備え、マスク像を半導体薄膜５上に結像して、上記半導体薄膜５を溶融、凝固させるように構成した結晶化半導体薄膜の製造装置であって、上記マスク６７には、主ビーム６を構成するパターンに隣り合うように副ビーム７を形成するパターンが形成された構成であってもよい。
【０１１７】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、パルス放射する第１のレーザ発振器３１と、第１のマスク４０と、第２のレーザ発振器３２と、第２のマスク４１と、結像レンズ４３を備え、上記第１のマスク４０による像が上記主ビーム６を形成し、上記第２のマスク４１による像が上記副ビーム７を形成するように構成されていてもよい。
【０１１８】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記第２のレーザ発振器３２からの放射した光と、上記第１のレーザ発振器３１との光とを、タイミングをずらせて照射できる制御装置と、第１のレーザ発振器３１からのエネルギー密度と、上記第２のレーザ発振器３２からのエネルギー密度を個別に調整可能な制御装置を備えた構成としてもよい。
【０１１９】
また、本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記第１のレーザ発振器３１と上記第２のレーザ発振器３２は異なる波長の光を出射する構成となっていてもよい。
【０１２０】
本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、以上のように、主エネルギービームと、単位面積あたりのエネルギーが該主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームとを、基板上に形成された半導体薄膜に、パルス照射することにより該半導体薄膜を厚さ方向の全域にわたって溶融させて、その後結晶化させることにより結晶化半導体薄膜を製造する結晶化半導体薄膜の製造方法であって、上記主エネルギービームと隣り合うように副エネルギービームを照射する構成である。
【０１２２】
それゆえ、半導体薄膜へ与えるエネルギーの空間的温度分布を変化させることができ、凝固（結晶化）時の時間的、空間的温度変化を緩やかにしているので、その結果、ラテラル成長法によって形成される針状結晶（半導体薄膜を構成する材料からなる結晶）の長さ（ラテラル成長距離）を伸長することが可能になるという効果を奏する。
【０１２３】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記主エネルギービームの照射を、半導体薄膜面における副エネルギービームの照射による、単位面積あたりのエネルギーが最大になった時点で開始する構成とするにより、半導体薄膜の結晶化時（凝固時）の時間的、空間的温度変化も最適化できるので、ラテラル成長法によって形成される針状結晶の長さをさらに伸長することが可能になる。
【０１２４】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記主エネルギービームと副エネルギービームとの波長を互いに異ならせる構成とすることにより、エネルギービームの利用効率を向上させることができるので、より効率的に半導体薄膜を融解させた後、再結晶化することが可能になる。
【０１２５】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造方法は、上記基板は、該基板と半導体薄膜との間に、熱伝導性絶縁膜が形成されているとともに、上記熱伝導性絶縁膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムおよび酸化セリウムから選択される少なくとも１種類の材料によって形成されている構成とすることにより、結晶化領域を小さくすることができるので、より大きな結晶で構成された結晶化半導体薄膜を製造することができる。
【０１２６】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、移住のように、上記エネルギービーム照射手段は、上記副エネルギービームを、主エネルギービームと隣り合うように照射するようになっている構成である。
【０１２７】
それゆえ、主ビームに対して、副ビームを隣り合うように、半導体薄膜に照射することができるので、ラテラル成長距離の大きな結晶を有する結晶化半導体薄膜を製造する製造装置を提供することができるという効果を奏する。
【０１２８】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記エネルギービーム照射手段は、半導体薄膜に照射される上記主エネルギービームと副エネルギービームとのパターンを形成するマスクと、上記マスクを透過した上記主エネルギービームと副エネルギービームとを半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、上記マスクは、主エネルギービームのパターンと隣り合うように、副エネルギービームのパターンが形成されている構成とすることにより、主エネルギービームと副エネルギービームとの形状を簡単に変えることができるので、エネルギービームの最適化をより簡単に行うことができる。
【０１２９】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、以上のように、主エネルギービームをパルス照射する第１ビーム照射部と、上記第１ビーム照射部から照射される主エネルギービームのパターンを形成する第１のマスクと、単位面積あたりのエネルギーが上記主エネルギービームよりも小さくかつ半導体薄膜が溶融するエネルギーのしきい値より低い副エネルギービームを照射する第２ビーム照射部と、上記第２ビーム照射部から照射される副エネルギービームのパターンを形成する第２のマスクと、上記第１のマスクと第２のマスクとによりそれぞれ形成されたパターンを、半導体薄膜上に結像する結像レンズとを備え、上記第１のマスクと第２のマスクとは、副エネルギービームが、主エネルギービームと隣り合うように半導体薄膜上に照射されるパターンを形成するようになっている構成である。
【０１３０】
それゆえ、主ビームに対して、副ビームを隣り合うように、半導体薄膜に照射することができるので、ラテラル成長距離の大きな結晶を有する結晶化半導体薄膜を製造する製造装置を提供することができるという効果を奏する。
【０１３１】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記第１ビーム照射部からの主エネルギービームの照射と、第２ビーム照射部からの副エネルギービームの照射との照射タイミングを制御する制御手段と、上記第１ビーム照射部からの主エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーと、上記第２ビーム照射部からの副エネルギービームの単位面積あたりのエネルギーとを個別に調節可能な調節手段とを備える構成とすることにより、エネルギービームの利用効率を上げることができる。
【０１３２】
本発明にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置は、上記第１ビーム照射部および第２ビーム照射部は、互いに波長の異なるエネルギービームを照射することにより、例えば、レーザ光等のエネルギービームの利用効率を向上させることができるので、再結晶化の効率をより高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶化半導体薄膜を製造する際のエネルギービームの照射の方法を説明する側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に基づく結晶化半導体薄膜の製造装置の概略の構成を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置に用いるマスクに形成されるパターンの形状を示す正面図である。
【図４】本発明による結晶化半導体薄膜の製造装置に用いる結像レンズのＭＴＦを説明するグラフである。
【図５】本発明の実施形態における半導体薄膜の温度プロファイルを示すグラフであり、（ａ）は、レーザ光を照射開始して２５ｎｓ後のグラフであり、（ｂ）は、６０ｎｓ後のグラフであり、（ｃ）は、７０ｎｓ後のグラフであり、（ｄ）は、１００ｎｓ後のグラフである。
【図６】本発明の他の実施形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置の構成を示す正面図である。
【図７】本発明の他の実施形態にかかる結晶化半導体薄膜の製造装置に用いるマスクに形成されるパターンの形状を示す正面図であり、（ａ）は、主ビーム形成用パターンを示しており、（ｂ）は、副ビーム形成用パターンを示している。
【図８】本発明の他の実施形態におけるパルスレーザの出力の時間変化を説明するグラフである。
【図９】一般的なスーパーラテラル成長による結晶の成長を示す正面図である。
【符号の説明】
１  絶縁性基板
２  耐熱性薄膜
３  高熱伝導性絶縁膜（熱伝導性絶縁膜）
４  バッファ層
５  半導体薄膜
６  主ビーム
７  副ビーム
１１  主ビーム出力の時間変化曲線
１２  副ビーム出力の時間変化曲線
２１、５１  主ビーム形成用パターン
２２、５２  副ビーム形成用パターン
２３  マスク
３１  第１のレーザ発振器
３２  第２のレーザ発振器
３３  第１の可変減衰器
３４  第２の可変減衰器
３５  第１のビーム整形素子
３６  第２のビーム整形素子
３７、６２  ミラー
３８  第１のマスク面均一照明素子
３９  第２のマスク面均一照明素子
４０  第１のマスク
４１  第２のマスク
４２  ビームスプリッタ
４４  基板
４５  パルスジェネレータ
６１  レーザ発振器
６３  可変減衰器
６８  結像レンズ
【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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