(57)【要約】【課題】横方向に結晶を成長させる新たな技術を提供する。【解決手段】表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する。薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する両側の縁の各々と中心線との間の領域のうち、縁及び中心線からある距離だけ隔てられ、長軸方向に延在する帯状領域内に、長軸方向に連なった結晶粒を発生させる。ここまでの工程で形成された２本の帯状領域に挟まれた領域を含む領域に、パルスレーザビームを入射させ、帯状領域内に形成されている結晶粒は溶融させず、帯状領域に挟まれた領域内の薄膜を溶融させ、帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させる。【選択図】  図８
2004152887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する両側の縁の各々と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心軸からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）で形成された２本の帯状領域に挟まれた領域を含む領域に、パルスレーザビームを入射させ、該帯状領域内に形成されている結晶粒は溶融させず、該帯状領域に挟まれた領域内の薄膜を溶融させ、該帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）で入射させるパルスレーザビームの、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が、前記工程（ｂ）で入射させるパルスレーザビームのそれよりも小さい請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）の後、さらに、成長した結晶粒の連なる帯状領域に挟まれた領域の前記薄膜が溶融するように、パルスレーザビームを該薄膜に入射させ、成長した結晶粒を種結晶としてさらに結晶を成長させる工程を繰り返す請求項１または２に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項４】
前記結晶を成長させる工程を繰り返す時に、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が徐々に小さくなるように、パルスレーザビームを入射させる請求項３に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項６】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１〜５のいずれかに記載の多結晶膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶膜の製造方法に関し、特にアモルファス状態の薄膜にレーザビームを入射させて薄膜を多結晶化させる多結晶膜の製造方法に関する。
【０００２】
多結晶膜は、低温型多結晶ＴＦＴ液晶ディスプレイ、太陽電池パネル、ペーパ型液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等に使用することができる。
【０００３】
【従来の技術】
エキシマレーザをアモルファスシリコン薄膜に入射させて溶融及び固化を繰り返し、横方向（薄膜の面内方向）に結晶を成長させる逐次的横方向成長（ＳＬＳ：Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術が知られている。以下、従来のＳＬＳ技術について説明する。
【０００４】
パルスレーザビームの断面を長尺化した後、例えば幅１〜１０μｍ、長さ１００μｍ程度のスリットを通過させる。スリットを通過したパルスレーザビームを、スリットをアモルファスシリコン薄膜の表面に結像させる結像光学系を通して、アモルファスシリコン膜に入射させる。この結像光学系の倍率は、例えば１／３である。このとき、アモルファスシリコン膜の表面におけるレーザビームの被照射領域の幅が約０．３〜３μｍ、長さが約３３μｍになる。被照射領域の幅方向のビーム強度分布は、矩形状になる。
【０００５】
レーザビームがアモルファスシリコン膜に入射すると、アモルファスシリコンが溶融する。溶融した領域の縁近傍部分の冷却速度が内部の冷却速度よりも速いため、縁近傍部分から固化が始まる。固化した部分が成長核となり、この成長核から溶融部分の内側に向かって結晶が成長する。被照射領域の長い方の２つの縁から結晶成長が始まるため、被照射領域の幅方向のほぼ中央に、両側から成長してきた結晶粒の粒界が形成される。
【０００６】
パルスレーザビームの被照射領域を、その幅方向に、その幅の約５０％だけ移動させて、２回目のパルスレーザビームを入射させる。１回目のパルスレーザビーム照射時の被照射領域のほぼ中央に形成された粒界の片側の領域が再溶融する。再溶融しなかった領域の結晶粒が種結晶となり、再溶融した領域で結晶が成長する。
【０００７】
パルスレーザビームの被照射領域を移動させながら、レーザ照射を繰り返すことにより、結晶を、被照射領域の移動方向に成長させることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２６０７３１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２８６１９５号公報
【特許文献３】
特開２０００−２８６２１１号公報
【特許文献４】
特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献５】
特開２００１−２７４０８８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、横方向に結晶を成長させる新たな技術を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する両側の縁の各々と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心軸からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）で形成された２本の帯状領域に挟まれた領域を含む領域に、パルスレーザビームを入射させ、該帯状領域内に形成されている結晶粒は溶融させず、該帯状領域に挟まれた領域内の薄膜を溶融させ、該帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させる工程とを有する多結晶膜の製造方法が提供される。
【００１１】
工程（ｂ）において、上記帯状領域内に、その周辺よりも大きな結晶粒が形成される。工程（ｃ）において、この結晶粒を種結晶として結晶を成長させ、大きな結晶粒を形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【００１３】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００１４】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００１５】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。レーザ光源７１から出力されたパルスレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にするとともに、その長軸方向に関する強度を均一にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板に入射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００１６】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００１７】
図２及び図３を参照して、本発明の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる種結晶の形成方法について説明する。
【００１８】
図２（Ａ）に、加工対象物１の断面図、及び加工対象物１の表面におけるレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。加工対象物１は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板２、その表面を覆う厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜３、及びその表面上に形成された厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜４からなる３層構造を有する。酸化シリコン膜３は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）またはスパッタリングで形成される。アモルファスシリコン膜４は、例えば減圧ＣＶＤ（ＬＰ−ＣＶＤ）またはプラズマ励起型ＣＶＤ（ＰＥ−ＣＶＤ）で形成される。
【００１９】
ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布５はガウス分布で近似することができる。アモルファスシリコンを完全に溶融させる閾値Ｅｔｈ以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが入射した領域６内のアモルファスシリコン膜４が完全に溶融する。ここで「完全に」とは、シリコン膜が全厚さにわたって溶融することを意味する。
【００２０】
それよりも外側の、パルスエネルギ密度が閾値ＥｔｈからＥｃの間の領域１２においては、シリコン膜が部分的に溶融する。ここで「部分的に」とは、シリコン膜の一部は溶融するが、アモルファス状態のままで溶融しない部分も残存することを意味する。パルスエネルギ密度がＥｃになる位置よりも外側の領域９のアモルファスシリコン膜４は溶融しない。溶融したシリコンが固化するとき、シリコンの結晶粒が形成される。
【００２１】
本願発明者は、パルスエネルギ密度が閾値Ｅｔｈになる位置の近傍の帯状領域７内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それよりも内側の領域８内に、小さな微結晶粒が形成され、領域１２内においては、領域８内の結晶粒の大きさと帯状領域７内の結晶粒の大きさとの中間の大きさの結晶粒がランダムに分布することを発見した。
【００２２】
図２（Ｂ）に、パルスレーザビームが照射された領域の模式的な平面図を示す。図２（Ｂ）の縦方向が、ビーム入射領域の長軸方向に対応する。ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁１０と中心線１１との間に、長軸方向に延在する帯状領域７が配置される。帯状領域７は、ビーム入射領域の縁１０からある間隔を隔てて配置されている。帯状領域７内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒１３が形成される。
【００２３】
パルスレーザビームの短軸方向に関する強度分布はガウス分布で近似される。短軸方向の強度分布の半値幅を、ビーム幅と呼ぶこととする。実際には、加工対象物表面におけるビーム幅に相当する領域の両側にも、ガウス分布の裾野の部分のビーム成分が照射される。ビーム入射領域の縁１０は、例えば、パルスエネルギ密度の最大値の１０％となる部分と定義することができる。
【００２４】
図３に、多結晶化されたシリコン膜の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）をスケッチした図を示す。入射したパルスレーザビームは、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍまたは５２４ｎｍ）であり、パルス幅は１００ｎｓである。加工対象物表面におけるビーム断面の長軸方向の長さは５ｍｍ、ビーム幅は０．２ｍｍである。
【００２５】
加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の２つのパルスレーザビームを、同一箇所に同時に照射した。このため、実効的なパルスエネルギ密度は、１Ｊ／ｃｍ２になる。なお、パルスエネルギ密度は、パルスエネルギを、加工対象物表面におけるビーム断面の面積で除すことにより計算した。
【００２６】
帯状領域７内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それらが長軸方向に連なっていることがわかる。これらの結晶粒の、短軸方向の長さは１．５〜２μｍ程度であり、長軸方向の大きさは０．７〜１．５μｍ程度である。２本の帯状領域７の間の領域８に、多数の微結晶粒が形成されている。
【００２７】
また、帯状領域７よりも外側の領域１２内には、領域８内の微結晶粒よりも大きく、帯状領域７内の結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに配置されていることがわかる。ランダム分布領域１２よりも外側の領域９はアモルファス状態のままである。顕微鏡で観察することにより、これらの領域の境界を、色の差として検出することができる。
【００２８】
次に、図３に示したような種々の大きさの結晶粒が発生する機構について考察する。
【００２９】
図４（Ａ）に、シリコン結晶の成長速度の温度依存性を示し、図４（Ｂ）に、結晶成長の核生成率の温度依存性を示す。図４（Ａ）の縦軸は、成長速度を単位「ｍ／ｓ」で表し、図４（Ｂ）の縦軸は、核生成率を単位「１／ｃｍ３・ｓ」で表し、両者の横軸は温度を単位「Ｋ」で表す。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）のグラフは、１９９９年７月１４日に行われた日本塑性加工学会シミュレーション統合システム分科会第２１回ＦＥＭセミナーの資料集第２２号第２７〜３２頁に掲載された市嶋大路（住友重機械工業株式会社）による「多結晶体の動的結晶成長過程のミクロ解析」から引用したものである。
【００３０】
図４（Ａ）に示すように、単結晶シリコンの融点（１６８３Ｋ）において成長速度が０であり、温度が低下するに従って成長速度が速くなる。温度１５００Ｋ近傍において、成長速度が最大値を示す。従って、溶融しているシリコンの温度が低いほど、成長速度が速くなる。なお、成長速度は温度勾配にも依存し、温度勾配が急峻であれば、成長速度が速い。
【００３１】
図４（Ｂ）に示すように、核生成率は、シリコンの融点から温度が低下するに従って大きくなり、温度６００Ｋ近傍で最大値を示す。
【００３２】
図３に示した帯状領域７は、核生成率が低くかつ成長速度が速い好適な温度及び好適な温度勾配であった領域と考えられる。帯状領域７とアモルファス領域９との間の領域１２は、帯状領域７よりも温度が低いために核生成率が高く、かつ温度勾配が緩やかであるために成長速度が遅かった領域と考えられる。この領域では、大きな結晶に成長する前に多くの核が発生したため、結晶粒が大きくなれなかったと考えられる。
【００３３】
微結晶領域８においては、温度の低下によって成長核が爆発的に発生し、成長速度よりも核生成が支配的であった領域と考えられる。核生成率が急激に高くなる温度まで冷却されると、帯状領域７内の結晶成長が、新たに発生した成長核によって妨げられ、結晶成長が停止する。結晶成長が停止した箇所が、帯状領域７と微結晶領域８との境界に相当すると考えられる。
【００３４】
大きな結晶粒を形成するためには、シリコンの溶融部分を、成長速度が速くかつ核生成率の低い好適な温度勾配及び温度とすることが必要である。図２（Ａ）に示した帯状領域７の位置における温度勾配が急峻であると、好適な温度に維持される領域が狭くなり、大きな結晶粒が形成されにくい。大きな結晶粒を形成するために、帯状領域７の近傍におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにすることが好ましい。
【００３５】
次に、図５を参照して、パルスエネルギ密度分布の好ましい形状について説明する。
【００３６】
図５（Ａ）は、結晶粒の大きさと、加工対象物表面におけるビーム幅との関係を示す。横軸はビーム幅を単位「μｍ」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μｍ」で表す。結晶粒の大きさは、特開２００１−２９７９８３号公報に開示された結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
【００３７】
加工対象物は、厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜、及びその上に形成された厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜である。パルスレーザビームの波長は５２７ｎｍ、パルス幅（半値幅）は１４０ｎｓとし、ビーム入射領域のうち、パルスエネルギ密度がピーク値の半分となる位置よりも外側に１μｍの幅、内側に５μｍの幅を持つ合計６μｍの幅の領域についてシミュレーションを行った。これは、ピーク値の半分の値となる位置においてパルスエネルギ密度分布の勾配がほぼ最大を示し、この領域で大きな結晶粒が形成されるためである。
【００３８】
ビーム入射領域の短軸方向に関する強度分布はガウス分布とした。ビーム断面の幅が５．０μｍ、８．３μｍ、１６．７μｍ、及び８３．０μｍの４つの場合の各々について、種々のピーク強度でシミュレーションを行い、最大の結晶粒が得られた条件下での結晶粒の大きさを、そのビーム幅の時の結晶粒の大きさとした。ビーム断面の幅が５．０μｍ、８．３μｍ、１６．７μｍ、及び８３．０μｍの場合において、それぞれパルスエネルギ密度の最大値が１１００ｍＪ／ｃｍ２、１４００ｍＪ／ｃｍ２、１５００ｍＪ／ｃｍ２、及び１５００ｍＪ／ｃｍ２の条件の時に最大の結晶粒が得られた。
【００３９】
図５（Ｂ）は、ピーク強度の半分の値を示す位置におけるパルスエネルギ密度分布の勾配と、結晶粒の大きさとの関係を示す。図５（Ａ）の各評価点について、パルスエネルギ密度分布の勾配を計算し、図５（Ｂ）のグラフを作成した。
【００４０】
図５（Ｂ）に示すように、パルスエネルギ密度分布の勾配が２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍから増加するに従って、結晶粒が徐々に大きくなる。これは、結晶成長速度が速くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギ密度分布の勾配が１７０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ付近で結晶粒の大きさが最大値を示し、それよりも勾配を大きくすると、結晶粒は小さくなる。これは、パルスエネルギ密度の勾配が急峻になるために、温度勾配も急峻になり、横方向への熱拡散によって冷却速度が速くなるためと考えられる。すなわち、十分な結晶成長時間が確保されず、結晶が大きく成長する前に、多数の核が発生してしまうためと考えられる。
【００４１】
図３に示した多結晶膜を作製したときの、パルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の位置における勾配は、１３ｍＪ／ｃｍ２／μｍであった。図３に示した帯状領域７内の結晶粒の短軸方向に関する大きさは１．５〜２μｍ程度であり、これは、図５（Ｂ）に示したシミュレーション結果とほぼ一致していると考えられる。
【００４２】
図５（Ｂ）に示したシミュレーション結果から判断すると、大きな結晶粒を形成するためには、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示した帯状領域７の位置（より厳密には、帯状領域７の外側の縁）におけるのパルスエネルギ密度分布の勾配を２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下にすることが好ましい。なお、アモルファスシリコン膜の厚さを１００ｎｍにして同様のシミュレーションを行ったところ、厚さが５０ｎｍの場合とほぼ同様の傾向が得られた。
【００４３】
また、上記実施例では、図２（Ｂ）に示したように、結晶粒がランダムに分布する領域１２に、レーザビームの裾野の比較的強度の高い部分が入射する。領域１２に比較的強度の高いレーザビームが照射されることにより、この領域の温度が上昇する。このため、帯状領域７の温度及び温度勾配が、大きな結晶粒を形成するために好適な条件を満たすようになる。結晶粒増大の十分な効果を得るために、領域１２の幅Ｗを１５μｍ以上にすることが好ましい。
【００４４】
次に、図６を参照して、パルス幅と結晶粒の大きさとの関係について説明する。
【００４５】
図６は、結晶粒の大きさとパルス幅との関係を示す。横軸はパルス幅を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μｍ」で表す。結晶粒の大きさは、上述の結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
【００４６】
加工対象物、パルスレーザビームの波長は、図５で説明した条件と同じである。また、加工対象物表面におけるビーム幅は、１６．７μｍとした。シミュレーション方法は、図５で説明した方法と同様である。
【００４７】
パルス幅を長くすると、形成される結晶粒が大きくなることがわかる。これは、パルス幅が長くなるに従って温度低下が緩やかになり、その結果、溶融部分が好適な温度に維持される時間が長くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギが一定の条件下でパルス幅を長くすると、パルスレーザビームのピーク強度が低下し、十分なパルスエネルギ密度を維持できなくなる。従って、パルス幅の上限は、使用するレーザ光源の出力特性によって制限される。
【００４８】
レーザ光源としてエキシマレーザを使用する場合には、一般的にパルス幅が７０ｎｓ以下である。これに対し、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の全固体レーザを使用する場合には、一般的にパルス幅が１００ｎｓ以上である。このため、エキシマレーザを使用する場合に比べて、全固体レーザを使用する方が、より大きな結晶粒を形成することが可能になる。
【００４９】
以上、シリコン溶融部分の温度状態を好適化するために、パルスエネルギ密度分布の形状及びパルス幅に着目して考察を行ったが、パルスレーザビームの入射後、溶融部分が完全に固化する前に、同じ位置に再度パルスレーザビームを入射させることによっても、温度状態を制御することが可能である。
【００５０】
図７に、加工対象物に入射させるレーザビームの波形の一例を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸はレーザビームの強度を表す。時刻ｔ１に１ショット目のパルスレーザビームＳ１が入射し、時刻ｔ２に２ショット目のパルスレーザビームＳ２が入射する。１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームのパルス幅（半値幅）は、それぞれＰＷ１及びＰＷ２である。図７では、２ショット目のパルスレーザビームのピーク強度が、１ショット目のパルスレーザビームのピーク強度よりも小さい場合を示しているが、両者を同一にしてもよい。
【００５１】
図７に示した１ショット目のパルスレーザビームＳ１の入射により、アモルファスシリコン膜が溶融する。温度の低下とともに成長核が発生し、成長核から結晶が成長する。核生成率が大きくなる温度まで冷却される前に、２ショット目のパルスレーザビームＳ２を入射させ、再加熱する。これにより、核生成を抑制し、結晶成長を継続させることができる。このため、大きな結晶粒を形成することが可能になる。
【００５２】
例えば、１ショット目の入射によって溶融した部分が完全に固化する前に、２ショット目のパルスレーザビームＳ２を入射させればよい。例えば１ショット目のレーザビーム入射から２ショット目のレーザビーム入射までの遅延時間を、３００〜１５００ｎｓ程度にすればよい。レーザ光源として全固体レーザを使用する場合には、エキシマレーザを使用する場合に比べて、遅延時間を容易に制御することができる。なお、後述するように、一旦形成された結晶粒は、アモルファス状態の部分よりも溶融しにくい。このため、一旦形成された結晶粒は、２ショット目のパルスレーザビームＳ２の照射によって再溶融しにくい。
【００５３】
例えば、パルスエネルギ密度のピーク値が１３００ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅１４０ｎｓ、ビーム幅１６．７μｍのパルスレーザビームを入射させたときの結晶粒の大きさは約２．１μｍであった。これに対し、１ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値１３００ｍＪ／ｃｍ２、２ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値７００ｍＪ／ｃｍ２、遅延時間９００ｎｓの条件で多結晶化を行ったところ、結晶粒の大きさは約４．４μｍであった。このように、遅延時間を設けて２ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒を大きくすることができる。
【００５４】
上述の種結晶形成方法では、レーザビームの強度分布をトップフラットにするためのマスクを使用しない。このため、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。
【００５５】
また、上述の方法により、結晶粒が第１の方向に一列に連なった結晶粒列を形成することができる。第１の方向と直交する方向に関する結晶粒の平均の大きさを１．５μｍ以上にすることができる。
【００５６】
次に、図８を参照して、本発明の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。本実施例では、アモルファスシリコン膜の同一箇所に、複数ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、入射領域のシリコン膜を多結晶化させる。
【００５７】
図８に、加工対象物表面における１ショット目〜３ショット目のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向に関する分布Ｓ１〜Ｓ３、及び各ショット後のシリコン膜の多結晶化された領域を模式的に示す。図８では、パルスエネルギ密度分布を便宜上三角形状としているが、実際にはガウス分布で近似される。
【００５８】
表面上にアモルファスシリコン膜が形成された加工対象物に、１ショット目のパルスレーザビームＳ１を入射させる。図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明したように、パルスエネルギ密度がアモルファスシリコン膜の溶融する閾値Ｅｔｈに等しくなる位置に、結晶粒が連なった帯状領域７が形成される。２本の帯状領域７に挟まれた領域８に、微結晶粒が形成される。
【００５９】
２ショット目のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度Ｓ２は、１ショット目のパルスエネルギ密度よりも低い。帯状領域７内の位置Ｐ１において、パルスエネルギ密度が、アモルファスシリコン膜の溶融する閾値Ｅｔｈに等しくなる。このため、微結晶粒が形成されていた領域８内のシリコン膜が溶融する。後述するように、大きな結晶粒は、微結晶粒よりも溶融しにくいため、帯状領域７内の結晶粒はほとんど溶融しない。
【００６０】
溶融した部分の温度が低下するに従って、帯状領域７内の結晶粒を種結晶として、内側の領域８に向かって結晶が成長する。この結晶粒は、領域８内に発生した成長核から成長する結晶粒と衝突するまで成長する。これにより、ビーム断面の短軸方向に成長した結晶粒が長軸方向に連なり、帯状領域７よりも広い帯状領域７ａが形成される。２本の帯状領域７ａに挟まれた領域８ａ内には、再度、微結晶粒が形成される。
【００６１】
３ショット目のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度Ｓ３は、２ショット目のパルスエネルギ密度よりも低い。帯状領域７ａ内の位置Ｐ２において、パルスエネルギ密度が、アモルファスシリコン膜の溶融する閾値Ｅｔｈに等しくなる。このため、微結晶粒が形成されていた領域８ａ内のシリコン膜が溶融し、帯状領域７ａ内の結晶粒を種結晶とし、ビーム入射領域の中心に向かって結晶が成長する。
【００６２】
２本の帯状領域７ａから成長した結晶粒同士が、ビーム入射領域のほぼ中心で衝突する。これにより、帯状領域７ａよりも幅の広い帯状領域７ｂが形成される。一方の帯状領域７ｂ内の結晶粒は、他方の帯状領域７ｂ内の結晶粒に接触する。
【００６３】
上述のように、同一箇所に複数ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、１ショット目の入射で形成された結晶粒を種結晶として、大きな結晶粒を形成することができる。照射するパルスレーザビームのパルスエネルギ密度が、既に形成されている結晶粒が連なった帯状領域の内側の縁よりもやや帯状領域内に入った位置において、閾値Ｅｔｈと等しくなるようにすればよい。このため、加工対象物に入射させるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度は、ショットごとに徐々に低くなる。
【００６４】
上記実施例では、パルスレーザビームを３ショット入射させることにより、ビーム入射領域の中心線近傍で、両側から成長した結晶粒同士が衝突したが、３ショットでは、両側から成長した結晶粒同士が衝突せず、微結晶粒領域が残る場合もある。この場合には、微結晶粒領域が消滅するまで、パルスエネルギ密度を減少させながら、パルスレーザビームの入射を繰り返せばよい。
【００６５】
図３に示したように、パルスレーザビームを１ショット入射させると、帯状領域７とアモルファス領域９との境界に、比較的小さな結晶粒が形成される。図８に示した帯状領域７の内側の縁において、２ショット目のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度が、この比較的小さな結晶粒の形成される領域のパルスエネルギ密度になると、帯状領域７内の結晶粒を種結晶とした結晶成長よりも、新たに発生した核からの結晶成長が支配的になってしまう。１ショットの入射で形成された帯状領域７の内側の縁において、２ショット目のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度が、図３に示した大きな結晶粒の形成される帯状領域７内の位置におけるパルスエネルギ密度になるように、２ショット目のパルスレーザビームの減衰量を制御することが好ましい。パルスレーザの減衰量の制御は、図１に示したアッテネータ７６により行われる。
【００６６】
上記実施例により、細長い領域内に、その長さ方向に連なった結晶粒を形成することができる。パルスレーザビームの入射位置を変えて同様の工程を繰り返すことにより、所望の細長い領域を多結晶化させることができる。
【００６７】
次に、図９を参照して、パルスレーザビームの好ましい波長について説明する。
【００６８】
図９に、アモルファスシリコンと単結晶シリコンとの光吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収係数を単位「×１０７ｃｍ−１」で表す。図中の黒丸及び白丸は、それぞれ単結晶シリコンの吸収係数及びアモルファスシリコンの吸収係数を示す。
【００６９】
波長が約３４０ｎｍ以上の領域で、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも大きいことがわかる。一旦形成された結晶粒を種結晶として結晶成長を行う場合には、種結晶となる結晶粒を溶融させることなく、種結晶に隣接する領域のシリコン膜を溶融させることが好ましい。図３に示した帯状領域７内の比較的大きな結晶粒の吸収係数は、単結晶シリコンの吸収係数に近いと思われる。また、帯状領域７に挟まれた領域８内の微結晶粒の吸収係数は、アモルファスシリコンの吸収係数に近いと思われる。
【００７０】
従って、種結晶となる結晶粒を溶融させることなく、微結晶粒を優先的に溶融させるために、波長３４０ｎｍ以上のパルスレーザビームを使用することが好ましい。波長が長くなりすぎると吸収係数が低下するため、使用するパルスレーザビームの波長を９００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００７１】
エキシマレーザの波長域（約３０８ｎｍ）においては、アモルファスシリコンの吸収係数が高い。このため、アモルファスシリコン膜の表面近傍でのみ吸収が生じ、厚さ方向に関して温度勾配が生じてしまう。これに対し、波長３４０〜９００ｎｍのレーザビームを使用すると、アモルファス状態及び微結晶粒状態のシリコン膜の比較的深い領域までレーザビームが侵入し、厚さ方向に関してほぼ均等に加熱される。このため、より高品質な結晶を形成することができる。
【００７２】
上記実施例では、図８に示したように、パルスレーザビームを１ショット入射させる毎に、シリコン膜の溶融と固化を繰り返したが、図７を参照して説明したように、溶融した領域が完全に固化する前に、２ショット目のパルスレーザビームを入射させ、大きな結晶粒を形成することもできる。この２ショットを１サイクルとして、複数サイクル繰り返すことにより、最初の１サイクルで形成された結晶粒を種結晶として、結晶成長を生じさせることができる。
【００７３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長尺断面を有するパルスレーザビームを加工対象物に入射させて、２本の帯状領域内に結晶粒を形成し、さらにパルスレーザビームを入射させることによって、この結晶粒を、ビーム入射領域の中心に向かって成長させ、大きな結晶粒を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略平面図である。
【図２】（Ａ）は、加工対象物の断面図、及び実施例で使用されるパルスレーザビームの、加工対象物表面におけるパルスエネルギ密度分布を示すグラフであり、（Ｂ）は、多結晶化された加工対象物の模式的な平面図である。
【図３】実施例による方法で作製した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図である。
【図４】（Ａ）は、溶融したシリコンの温度と結晶成長速度との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、温度と核生成率との関係を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は、ビーム断面の幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、パルスエネルギ密度分布の勾配と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
【図６】パルス幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
【図７】１箇所に２ショットのパルスレーザビームを入射させる場合の、レーザビーム波形の一例を示すグラフである。
【図８】加工対象物表面における１ショット目〜３ショット目のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向に関する分布Ｓ１〜Ｓ３、及び各ショット後のシリコン膜の多結晶化された領域を模式的に示す平面図である。
【図９】単結晶シリコンとアモルファスシリコンの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  処理対象物
２  ガラス基板
３  酸化シリコン膜
４  アモルファスシリコン膜
５  パルスエネルギ密度分布
６  溶融領域
７  帯状領域
８  微結晶領域
９  アモルファス領域
１０  レーザビーム入射領域の縁
１１  レーザビーム入射領域の中心線
１３  結晶粒
４０  処理チャンバ
４４  ステージ
６０  直動機構
６３、６５  結合部材
６４  リニアガイド機構
６６  リニアモータ
６７  ベローズ
７１  レーザ光源
７２  ホモジナイザ
７６  アッテネータ
８２  搬送チャンバ
８３、８４  搬出入チャンバ
８５、８６、８７  ゲートバルブ
８８  ＣＣＤカメラ
８９  ビデオモニタ
９１、９２、９３  真空ポンプ
９４  搬送用ロボット
【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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