(57)【要約】【課題】広範な条件に対応可能な光照射方法であり、広い面積に制御性良く光を照射し材料を改質するための装置の生産性を大幅に向上させ、かつコストの削減を可能にする光照射方法を提供すること。特に、アモルファスシリコン薄膜をポリクリスタルシリコンにし、また、照射時の被照射物へのダメージをなくす、あるいは最小限に抑制する、また、ポリクリスタルシリコン薄膜の品質を改良する光照射方法を提供すること。【解決手段】パルス点灯する光源を配置した光照射装置を用い、被照射物アモルファスシリコンおよび／またはポリクリスタルシリコンからなる被照射物に、光エネルギーＥをＪ／ｃｍ２で表し、パルス幅τをｓｅｃで表したとき、Ｓ＝Ｅ／τ１／２により定義する照射指標Ｓを制御して光照射する光照射方法であって、該照射指標Ｓの値を２５０≦Ｓ≦７００の範囲としたことを特徴とする光照射方法とする。【選択図】図１
2004031643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス点灯する光源を配置した光照射装置を用い、被照射物アモルファスシリコンおよび／またはポリクリスタルシリコンからなる被照射物に、光エネルギーＥをＪ／ｃｍ２で表し、パルス幅τをｓｅｃで表したとき、Ｓ＝Ｅ／τ１／２により定義する照射指標Ｓを制御して光照射する光照射方法であって、該照射指標Ｓの値を２５０≦Ｓ≦７００の範囲としたことを特徴とする光照射方法。
【請求項２】
前記光源としてキセノンフラッシュランプを用いることを特徴とする請求項１に記載の光照射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射による物質の改質に用いる方法に関するものである。さらに詳しくは、従来よりも広範な光照射条件に効果的に対応が可能となる光照射方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光照射は様々な用途に用いられており、そのための装置も多種多様である。殺菌を目的としてバクテリアなどを死滅させるために紫外線ランプを装備した装置などが好例であろう。電気電子工業においてもフォトリソグラフィー工程でのレジストのパターン形成や薄膜形成に際しての光アシストなど光照射は重要な要素技術の一つとなっている。高精度光照射の例としてはレーザー光を用いるものがある。レーザーからは単一波長のコヒーレント光を得ることができ集光性に優れていることからミクロンスケールの部分照射も可能である。この特性を生かしミクロな配線パターンの部分修復や切断などのいわゆるレーザーリペアーなどの応用技術がある。
【０００３】
薄膜の結晶性向上などにおいては如何に必要なエネルギーを効率よく必要な部分に供給できるかが重要である。したがってこのような目的のためにも精度の高い光照射特性の制御を必要とすることからレーザー光照射技術が用いられている。アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜にエキシマレーザー光を照射することによりポリクリスタルシリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜を形成する技術は広く普及しており、デバイスの作成工程にも導入されている。
【０００４】
光照射は被照射物の特性および目的により必要な条件が異なるため通常は特定用途ごとに個々の装置が開発されてきた。先のレーザー照射装置などがその例である。しかし、このレーザー光の特性は広域への照射という点では不利である。たとえば数ｃｍあるいはそれ以上におよぶ領域に照射する場合にはビームエキスパンダーなどの光学系の工夫により意図的に照射領域を広げる必要がある。照射領域を広げることにより当然のことながら照射強度密度は低下することとなるために広い領域への高強度照射を要する場合には高価な大型高出力のレーザーを必要とする。さらに、高出力レーザーからの光を広げるにも限界があり、場合によっては広げたレーザービームの照射位置を順次移動させることにより必要な照射領域を満たすというよな工夫がなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
複雑な製品の製造工程においては多数の装置を必要とするために、先の例のようなそれぞれの目的のための特殊装置を多数設置することとなり、コストおよび設置スペースの両面で大きな問題である。
【０００６】
本発明は広範な条件に対応可能な光照射方法であり、広い面積に制御性良く光を照射し材料を改質するための装置の生産性を大幅に向上させ、かつコストの削減を可能にする装置構成およびそれによる光照射方法を提供することを目的とする。特に、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜をポリクリスタルシリコン（ｐ−Ｓｉ）にし、また、照射時の被照射物へのダメージをなくす、あるいは最小限に抑制する、また、ポリクリスタルシリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜の品質を改良することを合わせて目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記課題を解決するためにパルス点灯する光源を配置した光照射装置を用い、被照射物アモルファスシリコンおよび／またはポリクリスタルシリコンからなる被照射物に、光エネルギーＥをＪ／ｃｍ２で表し、パルス幅τをｓｅｃで表したとき、Ｓ＝Ｅ／τ１／２により定義する照射指標Ｓを制御して光照射する光照射方法であって、該照射指Ｓの値を２５０≦Ｓ≦７００の範囲としたことを特徴とする光照射方法とするものである。
【０００８】
また、光源としてキセノンフラッシュランプを用いることを特徴とする光照射方法とするものである。
【０００９】
なお、本願で言うパルス幅とは、通常、半値幅と呼ばれているものに相当し、パルスの尖頭値の１／２に相当する値の時間幅のことをいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による光照射装置の構成例を示す概略が図１である。光照射装置１０には光源として複数本のキセノンフラッシュランプ１を用い、それらの背面、すなわち被照射物である試料５の反対側には反射板２が設けてあり、ランプからの光照射の際の均一性向上および背面へ散逸する光の有効利用に寄与するように設計されている。ランプ１と試料５との間にはディフューザー３を設置し、光の均一性を一段と向上させるようにしてある。試料５はＡｒ、Ｎ２、真空あるいは大気雰囲気と目的に応じて設定されたガス雰囲気にされたチャンバー７内に配設されて、ヒータ８で下方から予熱された試料ステージ４上にセットされ、ランプ１との距離を調節した後に照射が行われる。
【００１１】
以下に述べる具体的実施例の試料ステージ４の表面はアルミニウム（Ａｌ）を用いた高反射面仕上げとなっているものを用いた。Ａｌの反射特性は文献等にあるのでここでは省略するが、紫外から赤外にいたるまでの広帯域にわたって均一かつ高い反射特性を示し、キセノンフラッシュランプ１からの光を効率よく反射する性質を有している。
【００１２】
しかし、試料ステージは目的に応じて多様なものが可能であり、表面の材質としてはセラミックス（アルミナ、チッ化アルミニウムなど）、金属（アルミニウム、ステンレスなど）、あるいはホーローでコーティングした金属などがある。被照射物の性質、使用温度などを考慮して適したものを選択することになる。
【００１３】
ここで、本発明において取り上げた照射指標Ｓについて説明する。パルス光を被照射物に照射して改質する場合、同程度に改質する条件はパルス光のエネルギーの多寡とパルス幅により複数存在する。本発明で規定した「光エネルギーＥ［Ｊ／ｃｍ２］とパルス幅τ［ｓｅｃ］を基に算出される照射指標Ｓ」で表記すると略同じ値で異なる光エネルギーやパルス幅を有する光照射においても改質の為の条件を表記できることを発明者は見出したのである。
【００１４】
本発明における照射指標Ｓを制御する回路構成の一例を図２に示す。充電器１３からのエネルギーをコイルＬ１・Ｌ２・Ｌ３およびコンデンサーＣ１・Ｃ２・Ｃ３の組み合わせからなる回路に蓄積し、キセノンフラッシュランプ１の発光に利用する。ここではコイルとコンデンサーの組み合わせを３段用いる回路例を記載したが、目的に応じて段数および個々の部品の容量などの定格を選定することは言うまでもない。
【００１５】
キセノンフラッシュランプ１を点灯させ、所望の光照射効果を得るためには必要とするエネルギーをランプに対してほぼ瞬時に供給する必要があるが、そのエネルギーは通常の電源から直接給電する方法では不十分であるため、蓄電機能を有するデバイスに蓄えた後に信号により一気に放出させる手法を用いる。蓄電機能はコンデンサーＣ１，Ｃ２，Ｃ３が担っており、その容量Ｃは目的に応じて設定する。負荷に対して適切なパルスとして放電させるためにインダクタンスＬを回路内に設けてある。これらＣとＬの組み合わせおよび個数によりエネルギーとパルス幅を変えることができる。ここでは３段構成を示しているが、これに限定されるものではない。
【００１６】
コンデンサーＣ１，Ｃ２，Ｃ３に電荷を蓄積しただけではランプは発光せず、何らかの方法で放電を開始させるためのトリガーをかける必要がある。電荷量が過大である場合にはトリガー無しに発光してしまうが、そのような使用では制御が一切できないため、ランプの制御可能な電荷量範囲で使用するものである。このような外部トリガーは高電圧のパルスを用い、ランプ内の陽極と陰極の間に薄いイオン化した領域を作り出す。イオン化はトリガーバー１２に高電圧パルスを印加することにより生じる電位勾配によって発光管壁の近傍において始まり、極めて短時間のうちにランプ内に広がり、瞬時の閃光となる。図２中で、１４はトリガー充電器、Ｄはダイオード、Ｒは抵抗、Ｃ４，Ｃ５はコンデンサー、Ｓは起動スイッチ、１１は変圧器である。変圧器１１にトリガーバー１２が接続され、トリガーバー１２はランプ１の発光管外壁に近接配置されている。
【００１７】
さらにエネルギーＥとパルス幅τは次のように求める。パルスのエネルギーＥはサーモパイル方式のセンサーヘッドを用い、オリフィスを介して照射光をヘッド部に入射させることにより測定を行う。また、パルス幅は回路の電流波形をオシロスコープで測定し求めている。本発明の適用される光エネルギー範囲は大概５〜３０Ｊ／ｃｍ２、パルス幅は０．３〜２．０×１０−３ｓｅｃである。
【００１８】
（実施例１）
本発明の具体的実施例１は薄膜の形成に際してその改質を行うための方法を示すものである。アモルファス状態で形成された薄膜をポリクリスタル状態にする工程を取り上げて説明する。通常の脱脂洗浄を終えたガラス基板を製膜装置のロードロック室に入れ、真空に排気した後に製膜室へ搬送し、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２薄膜を５００ｎｍの厚さに形成する。
【００１９】
次にプラズマＣＶＤ法によりａ−Ｓｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成する。このようにガラス基板上に５００ｎｍの厚みのＳｉＯ２薄膜を介して形成した５０ｎｍのアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）薄膜にキセノンフラッシュランプからのパルス光を膜の側から照射する。光照射の際の試料ステージの温度は室温から基板の軟化点よりも低いところまで目的に応じて設定をすればよいが、ここでは３００℃とする。
【００２０】
照射後の試料はアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層がポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）となっていることをラマン分光により確認する。図３は照射指標Ｓとラマンスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示すものである。Ｓが小さくなり２５０に近づくにつれて半値幅は大きく、すなわち結晶性は不十分な状態となる。一方Ｓが大きくなり７００に近づくにつれて半値幅は小さく、すなわち結晶性が良くなる方向であることを示している。
【００２１】
しかしながら、７００を超えるとそれ以上の結晶性の向上はみられず、８００を超えると膜にクラックが入りやすくなるなどの不都合が生じるようになる。したがってアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）をポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）にするためのプロセスとしては２５０≦Ｓ≦７００が適当である。
【００２２】
まったく同様にして薄膜積層構造形成面をランプとは反対側、すなわち膜面が試料ステージ側に向くように試料ステージ上に設置し、基板背面からキセノンフラッシュランプ照射を行うことも可能である。基本的は効果は前述の表面照射とほぼ同様であるが細かな点で相違がある。背面照射の場合には結晶性向上のために必要な照射Ｓ値が表面照射に比べてやや高めではあるが均一性が優れているという傾向にある。
【００２３】
（実施例２）
本発明の具体的実施例２は実施例１と同様にアモルファス状態で形成された薄膜をポリクリスタル状態にする工程を取り上げて説明する。通常の脱脂洗浄を終えたガラス基板を製膜装置のロードロック室に入れ、真空に排気した後に製膜室へ搬送し、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２薄膜を５００ｎｍの厚さに形成する。次にプラズマＣＶＤ法によりａ−Ｓｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成する。この２層構造をフォトリソグラフィー工程を用いて所望のパターン形状の形成を行う。エッチング液や条件などは多くの文献に記載されているのでその詳細は省略する。
【００２４】
このようにガラス基板上に形成した５００ｎｍ厚のＳｉＯ２薄膜と５０ｎｍ厚のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）薄膜の２層構造をパターン化した試料にキセノンフラッシュランプからのパルス光を照射する。
【００２５】
照射後の試料はアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層がポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）となっていることをラマン分光により確認する。照射指標Ｓとラマンスペクトルの半値幅との関係は実施例１の場合とほぼ同様である。Ｓが小さくなり２５０に近づくにつれて半値幅は大きく、すなわち結晶性は不十分な状態となる。一方Ｓが大きくなり７００に近づくにつれて半値幅は小さく、すなわち結晶性が良くなる方向であることを示している。
【００２６】
しかしながら、７００を超えるとそれ以上の結晶性の向上はみられず、８００を超えるとパターンエッジ近傍で形状の崩れが生じたり、膜にクラックが入りやすくなるなどの不都合が生じるようになる。したがってこの２層構造でのアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）をポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）にするためのプロセスとしては２５０≦Ｓ≦７００が適当である。
【００２７】
（実施例３）
本発明の具体的実施例３は薄膜の形成に際してその改質を行うための方法を示すものであり、基本は実施例１および２とほぼ同様である。
通常の脱脂洗浄を終えたガラス基板を製膜装置のロードロック室に入れ、真空に排気した後に製膜室へ搬送し、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２薄膜を５００ｎｍの厚さに形成する。次にプラズマＣＶＤ法によりａ−Ｓｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成する。さらに再びＣＶＤ法によりＳｉＯ２薄膜を１００ｎｍの厚さに形成する。この３層構造を、フォトリソグラフィー工程を用いて所望のパターン形状の形成を行う。エッチング液や条件などは多くの文献に記載されているのでその詳細は省略する。
【００２８】
このようにガラス基板上に形成した５００ｎｍ厚のＳｉＯ２薄膜と５０ｎｍ厚のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）薄膜と１００ｎｍ厚のＳｉＯ２薄膜の３層構造をパターン化した試料にキセノンフラッシュランプからのパルス光を照射する。
【００２９】
照射後の試料はアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層がポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）となっていることをラマン分光により確認する。照射指標Ｓとラマンスペクトルの半値幅との関係は実施例１および２の場合とほぼ同様である。Ｓが小さくなり２５０に近づくにつれて半値幅は大きく、すなわち結晶性は不十分な状態となる。一方Ｓが大きくなり７００に近づくにつれて半値幅は小さく、すなわち結晶性が良くなる方向であることを示している。
【００３０】
しかしながら、７００を超えるとそれ以上の結晶性の向上はみられず、８００を超えるとパターンエッジ近傍で形状の崩れが生じたり、膜にクラックが入りやすくなるなどの不都合が生じるようになるというような性質は実施例２におけるのとほぼ同様である。したがってここでの３層構造においてアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）をポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）にするためのプロセスとしても２５０≦Ｓ≦７００が適当であるといえる。
【００３１】
（実施例４）
本発明の具体的実施例４は薄膜の形成に際してその改質を行うための方法を示すものであり、基本は実施例１ないし３と類似のものである。通常の脱脂洗浄を終えたガラス基板を製膜装置のロードロック室に入れ、真空に排気した後に製膜室へ搬送し、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ薄膜を１００ｎｍ形成し、引き続きＳｉＯ２薄膜を５００ｎｍの厚さに形成する。次にプラズマＣＶＤ法によりａ−Ｓｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成する。さらに再びＣＶＤ法によりＳｉＯ２薄膜を１００ｎｍの厚さに形成する。
【００３２】
このようにガラス基板上に形成した１００ｎｍ厚のＳｉＮと５００ｎｍ厚のＳｉＯ２薄膜（５００ｎｍ）と５０ｎｍ厚のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）薄膜と１００ｎｍのＳｉＯ２薄膜の４層構造をパターン化した試料にキセノンフラッシュランプからのパルス光を照射する。
【００３３】
照射後の試料はアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層がポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）となっていることをラマン分光により確認する。照射指標Ｓとラマンスペクトルの半値幅との関係は実施例１ないし３の場合とほぼ同様である。Ｓが小さくなり２５０に近づくにつれて半値幅は大きく、すなわち結晶性は不十分な状態となる。一方Ｓが大きくなり７００に近づくにつれて半値幅は小さく、すなわち結晶性が良くなる方向であることを示している。
【００３４】
しかしながら、７００を超えるとそれ以上の結晶性の向上はみられず、８００を超えるとパターンエッジ近傍で形状の崩れが生じたり、膜にクラックが入りやすくなるなどの不都合が生じるようになるというような性質は実施例２におけるのとほぼ同様である。したがってここでの積層構造においてアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）をポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）にするためのプロセスとしても２５０≦Ｓ≦７００が適当であるといえる。
【００３５】
（実施例５）
本発明の具体的実施例５は薄膜の形成に際してその改質、特に結晶性の改善を行うための方法を示すものである。ポリクリスタル状態で形成された薄膜の結晶性を向上させる工程を取り上げて説明する。通常の脱脂洗浄を終えたガラス基板を製膜装置のロードロック室に入れ、真空に排気した後に製膜室へ搬送し、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２薄膜を５００ｎｍの厚さに形成する。
【００３６】
次にＣＡＴ−ＣＶＤ法によりＰｏｌｙ−Ｓｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成する。このようにガラス基板上に５００ｎｍの厚みのＳｉＯ２薄膜を介して形成した５０ｎｍのポリＳｉ（ｐ−Ｓｉ）薄膜にキセノンフラッシュランプからのパルス光を膜の側から照射する。光照射の際の試料ステージの温度は室温から基板の軟化点よりも低いところまで目的に応じて設定をすればよいが、ここでは３００℃とする。
【００３７】
照射後の試料はポリＳｉ（ｐ−Ｓｉ）層の結晶性が向上していることをラマン分光により確認する。製膜後のｐ−Ｓｉ膜は結晶性があまり良好ではなく、ペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）が１０ｃｍ−１程度あるが、フラッシュランプ照射を行うとこれが６〜７ｃｍ−１程度まで改善され結晶性が向上していることが確認できる。
全体的な傾向はアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）への照射の場合と同様であって、Ｓが小さくなるにつれて半値幅は大きく、すなわち結晶性は不十分な状態となる。一方Ｓが大きくなるにつれて半値幅は小さく、すなわち結晶性が良くなる方向であることを示している。
【００３８】
アモルファス膜への照射と比較すると、結晶性が低いとはいえすでにポリクリスタルとなっている膜の場合にはクラックは生じにくい傾向にある。したがってアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）をポリクリスタルＳｉ（ｐ−Ｓｉ）にするためのプロセスとしての最適範囲２５０≦Ｓ≦７００がよりも大きな値、たとえば７５０近辺でも問題はない。
【００３９】
【発明の効果】
従来の光照射装置では照射強度を制御する方法が用いられてきたが、その場合には必要となる照射強度が対象物質に依存して桁が異なるほどに大きく相違していた。また、レーザーアニール装置のように光学系によりビーム形状を細工するものでは広範囲に同時にプロセスを進行させる用途には適さない。さらに、光照射強度による制御においては必要とする深さ範囲のみに均等な効果をもたらしつつそれよりも深部に不要な悪影響を及ぼさない条件の設定などに困難をきたしていた。
【００４０】
しかしながら本発明の装置は高精細度レーザー照射が用いられてきた用途から広域一括照射を要する用途にいたるまで対応できる。光源をパルス点灯し、その際に照射指標Ｓ＝Ｅ／τ１／２の値で制御することにより被照射物に対する不要な障害、たとえば不純物の意図せぬ拡散、クラックの発生、下地物質の異常加熱などの影響を排除しつつ所望の特性の薄膜形成、改質などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される光照射装置の一例である。
【図２】本発明における照射指標Ｓを制御する回路構成の一例である。
【図３】照射指標Ｓの有効範囲を示した図である。
【符号の説明】
１　キセノンフラッシュランプ
２　反射板
３　ディフューザー
４　試料ステージ
５　試料
６　石英板
７　チャンバー
８　ヒータ
１０　光照射装置
１１　変圧器
１２　トリガーバー
１３　充電器
１４　トリガー充電器
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３　コイル
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５　コンデンサー
Ｄ　ダイオード
Ｓ　起動スイッチ
Ｒ　抵抗
【図１】
2004031643.tif 000003
【図２】
2004031643.tif 000004
【図３】
2004031643.tif 000005