(57)【要約】【課題】成膜およびレーザアニール処理時のプロセスマージンを広げて、結晶粒径が大きく高品質で、かつ膜厚が大きい結晶質薄膜を形成する方法、および装置を提供する。【解決手段】結晶質薄膜の形成方法は、基板１上に結晶質シリコン膜５を形成する工程と、結晶質シリコン膜５上に、非晶質シリコン膜４を形成する工程と、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、非晶質シリコン膜４に向けてエキシマレーザ１０を照射して非晶質シリコン膜４を結晶化する工程とを備える。非晶質シリコン膜４を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ２とし、結晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜４を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１２とする。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に結晶質の第１の薄膜を形成する工程と、
前記第１の薄膜上に、第２の薄膜を形成する工程と、
前記第２の薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ２とし、前記第１および第２の薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１２とするとき、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、前記第２の薄膜に向けてレーザを照射して前記第２の薄膜を結晶化する工程とを備える、結晶質薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記第１の薄膜を形成する工程は、
前記基板上に非晶質薄膜を形成する工程と、
前記非晶質薄膜に向けてレーザを照射して前記非晶質薄膜を結晶化する工程とを含む、請求項１に記載の結晶質薄膜の形成方法。
【請求項３】
レーザを照射した第ｋ−１の薄膜上に、第ｋ（ｋは３以上の整数）の薄膜を形成する工程と、前記第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程とを、ｋの値を順次増加させて繰り返す工程をさらに備え、
前記第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程は、
前記第ｋの薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥｋとし、前記第１から第ｋの薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１ｋとするとき、Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、前記第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程を含む、請求項１または２に記載の結晶質薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記第１の薄膜を形成する工程は、膜厚Ｔ１で前記第１の薄膜を形成する工程を含み、
前記第２の薄膜を形成する工程は、膜厚Ｔ２で前記第２の薄膜を形成する工程を含み、
膜厚がＴ２で、かつ前記第２の薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し結晶化するときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度をＥｃ（≒Ｅ２）とし、膜厚がＴ１＋Ｔ２で、かつ前記第２の薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し結晶化するときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度をＥｄ（＜Ｅ１２）とするとき、前記第２の薄膜に向けてレーザを照射する工程は、Ｅｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、前記第２の薄膜に向けてレーザを照射する工程を含む、請求項１または２に記載の結晶質薄膜の形成方法。
【請求項５】
レーザを照射した第ｋ−１の薄膜上に、膜厚Ｔｋで第ｋ（ｋは３以上の整数）の薄膜を形成する工程と、前記第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程とを、ｋの値を順次増加させて繰り返す工程をさらに備え、
前記第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程は、
膜厚がＴｋで、かつ前記第ｋの薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し結晶化するときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度をＥｃｋとし、膜厚がＴ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋで、かつ前記第ｋの薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し結晶化するときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度をＥｄ１ｋとするとき、Ｅｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、前記第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程を含む、請求項４に記載の結晶質薄膜の形成方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の結晶質薄膜の形成方法に用いられる結晶質薄膜の製造装置であって、
前記基板上に薄膜を形成する成膜チャンバと、
前記薄膜に向けてレーザを照射するレーザアニールチャンバと、
前記基板を保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダを前記成膜チャンバから前記レーザアニールチャンバへ連続的に移動させる移動手段とを備える、結晶質薄膜の製造装置。
【請求項７】
前記移動手段は、前記成膜チャンバと前記レーザアニールチャンバとの間で、前記基板ホルダを往復移動させることが可能である、請求項６に記載の結晶質薄膜の製造装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれかに記載の結晶質薄膜の形成方法によって形成された結晶質薄膜を備える、薄膜トランジスタ。
【請求項９】
請求項１から５のいずれかに記載の結晶質薄膜の形成方法によって形成された結晶質薄膜を備える、光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、結晶質薄膜の形成方法、および結晶質薄膜の製造装置に関し、たとえば、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）、または光電変換素子を備える薄膜太陽電池などに用いられる結晶質薄膜の形成方法、および結晶質薄膜の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）、または薄膜太陽電池などの半導体デバイスの製造プロセスでは、高品質な結晶質薄膜を形成することが要求される。このような結晶質薄膜の形成方法としてレーザアニール技術がよく知られており、レーザアニール技術によれば半導体デバイスに適した結晶質薄膜を形成することができる。レーザアニール技術には、種々の改良を加えることが可能であり、たとえばアモルファス（非晶質）シリコン中にシリコンの結晶を散在させた微結晶膜を用いる方法が、特開２００１−７０２４に開示されている。
【０００３】
図５２および図５３は、特開２００１−７０２４に開示されている多結晶シリコン膜の形成方法の工程を示す断面図である。
【０００４】
図５２を参照して、ガラスなどの透明絶縁基板５０１上に、プラズマＣＶＤにより、微結晶を含有する微結晶シリコン膜５０２を１０ｎｍ程度の膜厚で形成する。微結晶シリコン膜５０２は、アモルファスシリコン中にシリコンの結晶が散在して混ざり合っている膜である。微結晶シリコン膜５０２は、プラズマＣＶＤによるアモルファスシリコンの成膜と同時に、アモルファスシリコンに向けてイオン照射することによって形成される。続いて、プラズマＣＶＤにより、非晶質（アモルファス）シリコン膜５０３を４０ｎｍ程度の膜厚で形成する。次に、微結晶シリコン膜５０２および非晶質シリコン膜５０３からなる積層膜５０４の上面からエキシマレーザを照射し、これを走査してレーザアニールを行なう。図５３を参照して、エキシマレーザが照射された領域の積層膜５０４は溶融されたあと凝固して、多結晶（ポリ）シリコン膜５０５が膜厚５０ｎｍ程度で形成される。
【０００５】
図５４および図５５は、図５２および図５３に示す多結晶シリコン膜の形成方法による結晶成長の様子を示す断面図である。
【０００６】
図５４を参照して、微結晶シリコン膜５０２は、結晶シリコンである結晶部分５０２ａおよびアモルファスシリコンである非晶質部分５０２ｂを含んでいる。結晶部分５０２ａの結晶粒径が１００ｎｍに、結晶部分５０２ａおよび非晶質部分５０２ｂの体積比が、ほぼ１：１に設定されている。
【０００７】
図５５を参照して、積層膜５０４の上面からエキシマレーザを照射することによって溶融された非晶質部分５０２ｂは、結晶部分５０２ａを核として一体化し、結晶部分５０２ａは矢印５０６に示す方向に結晶成長する。その結果、結晶粒径が２００ｎｍほどの多結晶シリコン膜５０５ａが形成される。また、複数の結晶部分５０２ａを核として結晶成長する場合もあり、この場合、結晶粒径が４００ｎｍほどの多結晶シリコン膜５０５ｂが形成される。したがって、特開２００１−７０２４に開示されている多結晶シリコン膜の形成方法によれば、結晶粒径が２００ｎｍから４００ｎｍほどの多結晶シリコン膜５０５を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術における多結晶シリコン膜の形成方法は、結晶粒径が大きく電子移動度の高い多結晶シリコン膜を得るうえで有効な手段であるが、以下の問題が発生する。
【０００９】
従来技術において、結晶部分５０２ａの結晶粒径が大きすぎる場合、または、結晶部分５０２ａおよび非晶質部分５０２ｂの体積比が１：１に設定されず、たとえば１：３であった場合には、隣接する結晶部分５０２ａの間隔（非晶質部分５０２ｂの幅）が広くなり、この非晶質部分５０２ｂには結晶部分５０２ａを核としない結晶が発生して成長する。また、結晶部分５０２ａおよび非晶質部分５０２ｂの体積比がたとえば３：１であった場合、隣接する結晶部分５０２ａから成長した各々の結晶同士がぶつかりあう。このような場合、多結晶シリコン膜の結晶粒径は小さくなり、高品質の多結晶シリコンを得ることができない。したがって、結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜５０５を得るためには、微結晶シリコン膜５０２に含まれる結晶部分５０２ａの結晶粒径を１００ｎｍほどにして、かつ結晶部分５０２ａおよび非晶質部分５０２ｂの体積比を、ほぼ１：１に設定する必要がある。しかし、このような条件を満たす微結晶シリコン膜５０２を得るためには、イオン照射の条件を適切に調節しなければならず、プロセスマージンが狭いという問題が発生する。
【００１０】
また、アモルファスシリコンに対してイオン照射して微結晶シリコン膜５０２を形成した場合、結晶部分５０２ａはアモルファスシリコン中にランダムに形成される。このようにアモルファスシリコン中における結晶部分５０２ａの位置がランダムであると、隣接する結晶部分５０２ａの間の距離が大きいものと小さいものが生じ、期待する結晶成長が望めなくなるという問題が発生する。
【００１１】
さらに、従来技術では膜厚が５０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜５０５を形成する方法を開示しているが、薄膜太陽電池などに用いられる多結晶シリコン膜は、数μｍほどの膜厚が要求される。しかし、エキシマレーザのような短波長レーザでは、非晶質シリコン膜の表面から数ｎｍ〜数１０ｎｍほどの深さまでしかエネルギが吸収されない。また、数μｍほどの膜厚に対してエネルギが十分に吸収されるように長波長のレーザを使用した場合、透明絶縁基板５０１の温度が上昇することとなり、基板からの汚染の問題も含め、透明絶縁基板５０１にガラスなど低融点の材質を用いることができない。このため、従来技術では数μｍほどの膜厚の多結晶シリコン膜を形成することができないという問題が発生する。
【００１２】
さらに、結晶粒径が最大となる多結晶シリコン膜５０５を形成するためには、照射するエキシマレーザのエネルギ密度をなお適切に調節しなければならなく、レーザアニール処理時のプロセスマージンが狭いという問題が発生する。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、厳密に制御された微結晶シリコン膜を用いる事なく、成膜およびレーザアニール処理時のプロセスマージンを広げて、結晶粒径が大きく高品質で、かつ膜厚が大きい結晶質薄膜を形成する方法、および装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った結晶質薄膜の形成方法は、基板上に結晶質の第１の薄膜を形成する工程と、第１の薄膜上に、第２の薄膜を形成する工程と、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第２の薄膜に向けてレーザを照射して第２の薄膜を結晶化する工程とを備える。第２の薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ２とし、第１および第２の薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１２とする。
【００１５】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第２の薄膜に向けてレーザを照射することで、第２の薄膜の全部、または第２の薄膜の全部および第１の薄膜の一部が溶融される。溶融後、固液界面である溶融された第１の薄膜と溶融されていない第１の薄膜との境界面から第２の薄膜の上面に向けて順に冷却が進み凝固していく。このとき、溶融されていない第１の薄膜を結晶核として、上方向に結晶成長が起こり柱状結晶質薄膜が形成される。このようにして得られる柱状結晶質薄膜は、第１の薄膜の結晶ストレスまたは面方位などの結晶性を引き継いだものとなり、膜厚方向に横切る結晶粒界も発生しない。また、エネルギ密度ＥがＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度であって、その最小値であるＥ２の場合にも第２の薄膜は完全に溶融しているため、エネルギ密度ＥがＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすとき柱状結晶質薄膜は第１の薄膜のみの結晶性を引き継ぐ。このため、柱状結晶質薄膜の結晶性は常に統一されたものとなる。また、レーザアニール法または固相成長法（熱処理法）などにより第１の薄膜の結晶粒径を大きくしておけば、これに対応して柱状結晶質薄膜の結晶粒径を大きくすることができる。したがって、結晶粒径が大きくて、膜厚方向を横切る粒界のない高品質な結晶質薄膜を形成することができる。
【００１６】
また、第２の薄膜に向けて照射するレーザのエネルギ密度ＥがＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たせば、第１の薄膜の結晶性を引き継いだ上述の結晶質薄膜を得ることができる。このように使用できるエネルギ密度Ｅの範囲が広いことからレーザアニール処理時のプロセスマージンを大きくすることができる。
【００１７】
また好ましくは、第１の薄膜を形成する工程は、基板上に非晶質薄膜を形成する工程と、非晶質薄膜に向けてレーザを照射して非晶質薄膜を結晶化する工程とを含む。このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、基板上に形成された非晶質薄膜に対してレーザアニール処理を行ない結晶質の第１の薄膜を得ている。非晶質薄膜は比較的低温で形成、結晶化することができるため、ガラス基板またはプラスチック基板など高温条件下に対応できない基板を用いても、基板上に結晶質の第１の薄膜を形成することができる。
【００１８】
また好ましくは、結晶質薄膜の形成方法は、レーザを照射した第ｋ−１の薄膜上に、第ｋ（ｋは３以上の整数）の薄膜を形成する工程と、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程とを、ｋの値を順次増加させて繰り返す工程をさらに備える。第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程は、第ｋの薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥｋとし、第１から第ｋの薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１ｋとするとき、Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程を含む。
【００１９】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射することで、第ｋの薄膜の全部、または第ｋの薄膜の全部および第ｋ−１から第１の薄膜からなる積層膜の一部が溶融される。溶融後、第ｋ−１から第１の薄膜のいずれかに存在する固液界面から第ｋの薄膜の上面に向けて順に冷却が進み凝固していく。このとき、溶融されていない結晶質薄膜を結晶核として、上方向に結晶成長が起こり柱状結晶質薄膜が形成される。したがって、第ｋの薄膜を形成する工程と、Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程とを交互に繰り返すことによって、結晶粒径が大きく、膜厚方向を横切る結晶粒界のない高品質な結晶質薄膜を、膜厚を大きくして形成することができる。
【００２０】
また好ましくは、第１の薄膜を形成する工程は、膜厚Ｔ１で第１の薄膜を形成する工程を含み、第２の薄膜を形成する工程は、膜厚Ｔ２で第２の薄膜を形成する工程を含む。第２の薄膜に向けてレーザを照射する工程は、Ｅｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第２の薄膜に向けてレーザを照射する工程を含む。膜厚がＴ２で、かつ第２の薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し溶融させた後その膜を凝固させて結晶化したときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度をＥｃ（≒Ｅ２）とし、膜厚がＴ１＋Ｔ２で、かつ第２の薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し溶融させた後その膜を凝固させて結晶化したときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度をＥｄ（＜Ｅ１２）とする。
【００２１】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、膜厚がＴ２で、かつ第２の薄膜と同一材質の膜にレーザを照射すると、照射するエネルギ密度に応じて結晶粒径が異なる結晶質薄膜が得られる。相対的に小さいエネルギ密度からエネルギ密度を増加していくと、結晶粒径は大きくなっていきやがて最大値をとる。さらにエネルギ密度を増加させていくと結晶粒径は小さくなっていき、エネルギ密度を増加しても結晶粒径がほとんど変化しないエネルギ密度Ｅｃが得られる。レーザのエネルギ密度がＥｃのとき、膜厚がＴ２で、かつ第２の薄膜と同一材質の膜が全て溶融された状態にある。つまり、エネルギ密度Ｅｃは上述のエネルギ密度Ｅ２にほぼ相当する。同様に、膜厚がＴ１＋Ｔ２で、かつ第２の薄膜と同一材質の膜にレーザを照射すると、エネルギ密度と結晶粒径との関係において結晶粒径が最大となるエネルギ密度Ｅｄが得られる。レーザのエネルギ密度がＥｄのとき、膜厚がＴ１＋Ｔ２で、かつ第２の薄膜と同一材質の膜の大部分が溶融され、溶融されていない部分が点在する状態にある。つまり、レーザを照射したときの、第１および第２の薄膜のエネルギ吸収係数および融点を便宜上等しいと考えれば、エネルギ密度Ｅｄは、膜厚がＴ１＋Ｔ２の第２の薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値Ｅ１２よりも小さいと考えることができる。
【００２２】
以上より、エネルギ密度Ｅｄでレーザを第２の薄膜に向けて照射した場合、溶融されていない第１の薄膜がより確実に存在する。このため、レーザのエネルギ密度ＥをＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすように設定しておけば、その溶融されていない第１の薄膜を結晶核として、結晶成長が起こり柱状結晶膜が形成される。また、使用できるエネルギ密度Ｅの範囲が広いので、レーザアニール処理時のプロセスマージンを大きくすることができる。
【００２３】
また好ましくは、結晶質薄膜の形成方法は、レーザを照射した第ｋ−１の薄膜上に、膜厚Ｔｋで第ｋ（ｋは３以上の整数）の薄膜を形成する工程と、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程とを、ｋの値を順次増加させて繰り返す工程をさらに備える。第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程は、膜厚がＴｋで、かつ第ｋの薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し溶融させた後その膜を凝固させて結晶化するときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度をＥｃｋとし、膜厚がＴ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋで、かつ第ｋの薄膜と同一材質の膜にレーザを照射し溶融させた後その膜を凝固させて結晶化するときのエネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度をＥｄ１ｋとするとき、Ｅｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程を含む。
【００２４】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、Ｅｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射することで、基板上に溶融されていない結晶質薄膜が確実に存在する状態で、第ｋの薄膜の全部、または第ｋの薄膜の全部および第ｋ−１から第１の薄膜からなる積層膜の一部が溶融される。溶融後、第ｋ−１から第１の薄膜のいずれかに存在する固液界面から第ｋの薄膜の上面に向けて順に冷却が進み凝固していく。このとき、溶融されていない結晶質薄膜を結晶核として、上方向に結晶成長が起こり柱状結晶質薄膜が形成される。したがって、第ｋの薄膜を形成する工程と、Ｅｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜に向けてレーザを照射する工程とを交互に繰り返すことによって、結晶粒径が大きくて膜厚方向を横切る結晶粒界のない高品質な結晶質薄膜を、膜厚を大きくして形成することができる。
【００２５】
この発明に従った結晶質薄膜の製造装置は、上述のいずれかに記載の結晶質薄膜の形成方法に用いられる結晶質薄膜の製造装置である。結晶質薄膜の製造装置は、基板上に薄膜を形成する成膜チャンバと、薄膜に向けてレーザを照射するレーザアニールチャンバと、基板を保持する基板ホルダと、基板ホルダを成膜チャンバからレーザアニールチャンバへ連続的に移動させる移動手段とを備える。
【００２６】
このように構成された結晶質薄膜の製造装置によれば、基板を保持する基板ホルダを成膜チャンバからレーザアニールチャンバへ移動させながら、成膜チャンバで基板上に薄膜を形成し、その後レーザアニールチャンバで所定のエネルギ密度のレーザを薄膜に向けて照射することができる。このため、結晶質薄膜の形成を一貫して連続的にインラインで行なうことができ、基板を別々に設けられた装置間でやりとりする必要がなくなる。これにより、結晶質薄膜の製造のスループットを大幅に向上させることができる。
【００２７】
また好ましくは、移動手段は、成膜チャンバとレーザアニールチャンバとの間で、基板ホルダを往復移動させることが可能である。このように構成された結晶質薄膜の製造装置によれば、基板ホルダを成膜チャンバおよびレーザアニールチャンバ間で往復移動させて、成膜チャンバで薄膜を形成する工程と、所定のエネルギ密度のレーザを薄膜に向けて照射する工程とを交互に繰り返すことができる。これにより、結晶粒径が大きくて膜厚方向を横切る結晶粒界のない結晶質薄膜を、膜厚を大きくして形成する場合に、結晶質薄膜の製造のスループットを大幅に向上させることができる。
【００２８】
この発明に従った薄膜トランジスタは、上述のいずれかに記載の結晶質薄膜の形成方法によって形成された結晶質薄膜を備える。このように構成された薄膜トランジスタによれば、薄膜トランジスタは、結晶粒径が大きく形成されているため、キャリアの移動度が向上し良好なスイッチング特性を得ることができる。
【００２９】
この発明に従った光電変換素子は、上述のいずれかに記載の結晶質薄膜の形成方法によって形成された結晶質薄膜を備える。このように構成された光電変換素子によれば、膜厚を数μｍほどとした結晶粒径が大きくて膜厚方向を横切る粒界のない高品質な結晶質薄膜を発電層とすることができる。このため、光電変換素子に入射する光を十分に吸収して、この光によって発生するキャリアの拡散長を長くすることができる。したがって、この発明に従った光電変換素子を薄膜太陽電池に用いた場合、高い光電変換効率が得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１から図６は、この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の工程を示す断面図である。
【００３２】
図１を参照して、ガラスなどの基板１上に非晶質シリコン膜２を膜厚Ｔ１で形成する。非晶質シリコン膜２は、プラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、Ｃａｔ−ＣＶＤ法またはスパッタ法などにより形成する。非晶質シリコン膜２の膜厚Ｔ１は、１０ｎｍから１００ｎｍとするが、非晶質シリコン膜２を結晶化する方法に応じて適切な膜厚を決定すればよい。なお、非晶質シリコン膜２を形成する条件によっては、非晶質シリコン膜２が結晶部分を含む場合がある。
【００３３】
図２を参照して、非晶質シリコン膜２の上面に向けて、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦなどのエキシマレーザ３を照射し、エキシマレーザ３を非晶質シリコン膜２に対して相対的に走査させる。非晶質シリコン膜２は溶融され、その後凝固して、結晶質シリコン膜５が形成される。
【００３４】
なお、結晶質シリコン膜５を形成する方法は、レーザアニールによる場合に限られず、固相成長法などによって形成してもよい。また、結晶質シリコン膜５をプラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法またはスパッタ法などにより基板１上に直接形成してもよい。
【００３５】
図３を参照して、結晶質シリコン膜５上に非晶質シリコン膜４を膜厚Ｔ２で形成する。非晶質シリコン膜４は、プラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法またはスパッタ法などにより形成する。非晶質シリコン膜４の膜厚Ｔ２は、１０ｎｍから１００ｎｍとする。なお、図４で示すレーザアニールの工程で、非晶質シリコン膜４中の水素が突沸することを防止するために、非晶質シリコン膜４の水素含有量を極力少なくしておくことが好ましい。たとえば、プラズマＣＶＤ法により非晶質シリコン膜４を形成する場合には、成膜時の基板１の温度を４００℃以上としておくことで、非晶質シリコン膜４中の水素含有量を低減させることができる。
【００３６】
また、非晶質シリコン膜４は、シリコン以外の非晶質薄膜でもよく、また結晶を含む微結晶薄膜、または多結晶薄膜であってもよい。さらに、非晶質シリコン膜２および４は、半導体薄膜に限定されるものではなく、化合物薄膜、または絶縁体薄膜などであってもよい。
【００３７】
図４を参照して、非晶質シリコン膜４の上面に向けて、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦなどのエキシマレーザ１０を照射し、エキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜４に対して相対的に走査させる。エキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅを、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすように設定しておく。エネルギ密度Ｅ２は、非晶質シリコン膜４を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値であり、エネルギ密度Ｅ１２は、結晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜４の両方を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値である。なお、レーザのショット数は１ショットでも構わないが、ショット数を増やせば、エキシマレーザ１０の出力変動などの不確定要因があったとしても、その影響を小さくできる。
【００３８】
なお、レーザは、ＹＡＧレーザ、またはＡｒレーザなどの長波長レーザであってもよい。但し、長波長レーザを使用した場合、エキシマレーザのように大出力でレーザを照射することが難しく、長時間に渡ってレーザを照射する必要がある。このため、基板から薄膜への汚染が発生したり、スループットの低下を招くという問題が発生するおそれがある。
【００３９】
図５を参照して、エキシマレーザ１０の照射により、非晶質シリコン膜４の全部４ａ、または非晶質シリコン膜４の全部４ａおよび結晶質シリコン膜５の一部５ａが溶融して、溶融部６が形成される。基板１上には、結晶質シリコン膜５の溶融していない部分である非溶融部５ｂが残存する。
【００４０】
エキシマレーザ１０の照射後、溶融部６が冷却される。高温領域である溶融部６から低温領域である基板１（非溶融部５ｂ）に向う矢印８に示す方向に熱移動が起こり、溶融部６は非溶融部５ｂとの境界面から矢印９に示す方向に凝固する。このとき、結晶質シリコン膜５の非溶融部５ｂを結晶核として、矢印９に示す方向に結晶成長が起こる。
【００４１】
図６を参照して、柱状結晶質シリコン膜７が膜厚Ｔ１＋Ｔ２で形成される。柱状結晶質シリコン膜７は、結晶質シリコン膜５の非溶融部５ｂを結晶核として結晶成長したものであるため、柱状結晶質シリコン膜７の結晶ストレス分布または面方位などは、結晶質シリコン膜５の結晶性を引き継いだものとなる。また、柱状結晶質シリコン膜７の結晶成長は、図５中の矢印９に示す方向に向って起こるため、柱状結晶質シリコン膜７に膜厚方向（矢印９に示す方向）を横切る結晶粒界が発生しない。
【００４２】
結晶質シリコン膜５の結晶粒径が２００ｎｍ程度より大きい場合、柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径は結晶質シリコン膜５の結晶粒径とほぼ同じになる。すなわち、結晶質シリコン膜５の結晶粒径を大きくしておくことで、柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径も大きくすることができる。実施の形態１では、レーザアニール処理により結晶質シリコン膜５を得たが、たとえば、金属触媒を用いた固相成長法などによって、結晶粒径が１μｍほどの結晶質シリコン膜５を準備すれば、結晶粒径が１μｍほどの柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。
【００４３】
また、結晶質シリコン膜５の結晶粒径が１００ｎｍ程度より小さい場合、結晶質シリコン膜５を結晶核とした結晶が互いに結合しながら結晶成長が起こるため、柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径は２００ｎｍ程度になる。たとえば、図２に示す工程で、条件を厳密に選ばずエキシマレーザ３を照射して、結晶粒径が１００ｎｍより小さい微小な結晶を含む結晶質シリコン膜５が形成されたとしても、２００ｎｍ程度の結晶粒径の柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。
【００４４】
さらに、結晶質シリコン膜５の結晶粒径が１００ｎｍから２００ｎｍまでであった場合、結晶質シリコン膜５を結晶核とする結晶同士が互いに結合する結晶成長と、結合しない結晶成長とが混在して結晶成長が起こる。たとえば、結晶質シリコン膜５の結晶粒径が１５０ｎｍである場合、結晶質シリコン膜５を結晶核とした結晶同士が互いに結合して柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径が３００ｎｍ程度になる場合と、結晶質シリコン膜５を結晶核とした結晶同士が互いに結合せずに柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径が１５０ｎｍ程度になる場合とが混在し、結果として平均結晶粒径が２００ｎｍ以上の柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。
【００４５】
続いて、エキシマレーザ１０のエネルギ密度ＥをＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすように設定するため、エネルギ密度Ｅ２およびＥ１２を求める方法について説明する。図７から図９は、エネルギ密度Ｅ２およびＥ１２を求める方法を説明するための断面図である。
【００４６】
図７を参照して、基板２０上に、非晶質シリコン膜４と同一材質の非晶質シリコン膜２１が膜厚Ｔ２で形成されている。エネルギ密度を変化させてエキシマレーザ１５を非晶質シリコン膜２１に向けて照射する。図８を参照して、基板２０上に、非晶質シリコン膜４と同一材質の非晶質シリコン膜２２が膜厚Ｔ１＋Ｔ２で形成されている。エネルギ密度を変化させてエキシマレーザ１５を非晶質シリコン膜２２に向けて照射する。図９を参照して、基板２０上に結晶質シリコン膜５と同一材質の結晶質シリコン膜２４が膜厚Ｔ１で、さらに結晶質シリコン膜２４上に非晶質シリコン膜４と同一材質の非晶質シリコン膜２３が膜厚Ｔ２で形成されている。図９に示す状態は、図３に示す状態と同じである。エネルギ密度を変化させてエキシマレーザ１５を非晶質シリコン膜２３に向けて照射する。図７、図８および図９に示すレーザアニール処理を「レーザアニールＡ」、「レーザアニールＢ」および「レーザアニールＣ」と呼ぶこととする。なお説明の便宜上、図９に示す結晶質シリコン膜２４の結晶粒径を、レーザアニールＡおよびＢで得られる結晶質シリコン膜の最大の結晶粒径と等しいものとする。
【００４７】
図１０から図１４は、レーザアニールＡにおいて、エネルギ密度Ｅのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【００４８】
図１０を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度Ｅを相対的に低いＥａとした場合、非晶質シリコン膜２１は完全には溶融せず、溶融部２１ａの下部に非溶融部２１ｂが残存する。この場合、溶融部２１ａとの境界付近で高温となった非溶融部２１ｂで、偶発的に結晶核３１が高密度に形成される。このため、エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時において、結晶核３１から成長した各々の結晶同士が高い確率で衝突し、結晶粒径は小さくなる。
【００４９】
図１１を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥａよりも大きいＥｂとした場合、非溶融部２１ｂはほとんどなくなり、基板２０上に点在した状態となって、この部分に結晶核３２が形成される。エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時において、この点在した非溶融部２１ｂで形成された結晶核３２から結晶成長が進む。この場合、隣接する結晶核３２同士の間隔は広いため各々の結晶が衝突する確率は下がり、結晶粒径は最大となる。
【００５０】
図１２を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｂよりもさらに大きいＥｃとした場合、非溶融部２１ｂは完全に消滅して溶融部２１ａのみが存在する。この場合、固液境界面が存在しないため、冷却時に溶融部２１ａが凝固点に達しても結晶核が形成されない。そして、凝固点からさらに温度が下がり過冷却の状態において、結晶核３３が高密度に、かつランダムに形成される。結晶核３３から成長する各々の結晶は互いに高い確率で衝突し、結晶粒径は小さくなる。
【００５１】
図１３および図１４を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｃよりもさらに大きいＥｄとした場合、およびエネルギ密度ＥをＥｄよりもさらに大きいＥｅとした場合、図１２に示す結晶核３３が同様に形成され、結晶粒径は小さくなる。
【００５２】
図１５から図１９は、レーザアニールＢにおいて、エネルギ密度Ｅのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【００５３】
図１５を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥａとした場合、非晶質シリコン膜２２は完全には溶融せず、溶融部２２ａの下部に非溶融部２２ｂが残存する。この場合、溶融部２２ａとの境界付近で高温となった非溶融部２２ｂで、偶発的に結晶核３４が高密度に形成される。このため、エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時において、結晶核３４から成長した各々の結晶同士が高い確率で衝突し、結晶粒径は小さくなる。
【００５４】
図１６および図１７を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｂおよびＥｃとした場合、図１５に示す結晶核３４が同様に形成され、結晶粒径は小さくなる。
【００５５】
図１８を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｄとした場合、非溶融部２２ｂはほとんどなくなり、基板２０上に点在した状態となる。エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時において、この点在した非溶融部２２ｂで形成された結晶核３５から結晶成長が進む。この場合、隣接する結晶核３５同士の間隔は広いため各々の結晶が衝突する確率は下がり、結晶粒径は最大となる。
【００５６】
図１９を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｅとした場合、非溶融部２２ｂは完全に消滅して溶融部２２ａのみが存在する。この場合、固液境界面が存在しないため、冷却時に溶融部２２ａが凝固点に達しても結晶核が形成されない。そして、凝固点からさらに温度が下がり過冷却の状態において、結晶核３６が高密度に、かつランダムに形成される。結晶核３６から成長する各々の結晶は互いに高い確率で衝突し、結晶粒径は小さくなる。
【００５７】
図２０から図２４は、レーザアニールＣにおいて、エネルギ密度Ｅのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【００５８】
図２０を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥａとした場合、非晶質シリコン膜２３は完全には溶融せず、溶融部２３ａの下部に非溶融部２３ｂが残存する。この場合、溶融部２３ａとの境界付近で高温となった非溶融部２３ｂで、偶発的に結晶核３７が高密度に形成される。このため、エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時において、結晶核３７から成長した各々の結晶同士が高い確率で衝突し、結晶粒径は小さくなる。
【００５９】
図２１を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｂとした場合、非晶質シリコン膜２３の非溶融部２３ｂはほとんどなくなり、結晶質シリコン膜２４上に点在した状態となる。この場合、点在する非溶融部２３ｂで形成される結晶核３７、および結晶質シリコン膜２４の結晶３８の双方から結晶成長が進む。したがって、得られる結晶粒径は大きくなるが、レーザアニールＡをエネルギ密度Ｅｂで行なった場合（図１１参照）に得られる結晶粒径より若干小さくなる。
【００６０】
図２２を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｃとした場合、非晶質シリコン膜２３の非溶融部２３ｂは完全に消滅して溶融部２３ａが存在する。また、結晶質シリコン膜２４の上部が溶融されて溶融部２４ａを形成し、溶融部２４ａの下部には非溶融部２４ｂが残存する。溶融部２３ａおよび２４ａにより溶融部２７を形成する。この場合、エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時において、溶融部２７と非溶融部２４ｂとの境界面から溶融部２７の上面に向けて、溶融部２７が凝固する。このとき、非溶融部２４ｂの結晶３８から結晶成長が進む。その結果得られる結晶粒径は、結晶質シリコン膜２４の結晶粒径と同じ程度となる。なお、結晶質シリコン膜２４の結晶粒径が２００ｎｍより小さい場合であっても得られる結晶粒径は２００ｎｍ程度となる。
【００６１】
図２３を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｄとした場合、結晶質シリコン膜２４の非溶融部２４ｂはほとんどなくなり、基板２０上に点在した状態となる。この点在した非溶融部２４ｂの結晶３９から結晶成長が進む。この場合得られる結晶粒径は、レーザアニールＢをエネルギ密度Ｅｄで行なった場合（図１８参照）に得られる結晶粒径と同程度となる。
【００６２】
図２４を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度ＥをＥｅとした場合、非溶融部２４ｂは完全に消滅して溶融部２７のみが存在する。この場合、固液境界面が存在しないため、エキシマレーザ１５を照射したあとの冷却時に溶融部２７が凝固点に達しても結晶核が形成されない。そして、凝固点からさらに温度が下がり過冷却の状態において、結晶核４０が高密度に、かつランダムに形成される。結晶核４０から成長する各々の結晶は互いに高い確率で衝突し、結晶粒径は小さくなる。
【００６３】
図２５は、レーザアニールＡ、ＢおよびＣにおいて、レーザのエネルギ密度Ｅと結晶粒径との関係を示すグラフである。図２５を参照して、曲線４１、４２および４３は、それぞれレーザアニールＡ、ＢおよびＣにおけるエネルギ密度Ｅと結晶粒径との関係を示しており、図１０から図２４を用いて説明したエネルギ密度Ｅと結晶粒径との関係を表している。なお、エネルギ密度ＥがＥｄよりも大きい範囲でレーザアニールＣの曲線４３がレーザアニールＢの曲線４２よりエネルギ密度Ｅが高い方向にシフトしているのは、結晶質シリコン膜２４の方が非晶質シリコン膜２２よりも融点が高く、またレーザのエネルギ吸収係数が小さいからである。
【００６４】
以上の説明から、非晶質シリコン膜４を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値であるエネルギ密度Ｅ２、および結晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜４の両方を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値であるエネルギ密度Ｅ１２は、以下の式で表すことができる。
【００６５】
Ｅ２≒Ｅｃ
Ｅ１２≒Ｅｅ
エネルギ密度Ｅｃは、レーザアニールＡにおいてエネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度である。また、エネルギ密度Ｅｅは、レーザアニールＢにおいてエネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度である。
【００６６】
したがって、図４に示す工程の前にレーザアニールＡおよびＢを行ない、電子顕微鏡、またはＸ線回折を用いて結晶粒径を測定し、エネルギ密度ＥｃおよびＥｅを特定する。そして、図４に示す工程で上式を用いることによって、エネルギ密度ＥをＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２（図２５中の矢印４４が示す範囲）の関係を満たすように設定することができる。
【００６７】
なお、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度であっても、エネルギ密度がＥ１２（≒Ｅｅ）の近傍においては、結晶粒径が小さくなる傾向にあるため、エネルギ密度をＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２の範囲内でなるべく小さくしておくことが望ましい。また、このようにエネルギ密度を設定することにより、エネルギの利用効率を向上させ、低コスト化を図ることができる。
【００６８】
この発明の実施の形態１に従った結晶質薄膜の形成方法は、基板１上に結晶質の第１の薄膜としての結晶質シリコン膜５を形成する工程と、結晶質シリコン膜５上に、第２の薄膜としての非晶質シリコン膜４を形成する工程と、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、非晶質シリコン膜４に向けてレーザを照射して非晶質シリコン膜４を結晶化する工程とを備える。非晶質シリコン膜４を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ２とし、結晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜４を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１２とする。
【００６９】
結晶質シリコン膜５を形成する工程は、基板１上に非晶質薄膜としての非晶質シリコン膜２を形成する工程と、非晶質シリコン膜２に向けてレーザを照射して非晶質シリコン膜２を結晶化する工程とを含む。
【００７０】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、結晶質シリコン膜５の結晶粒径を厳密に設定することなく、結晶粒径が大きい柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。したがって、結晶質シリコン膜５を結晶粒界を除いて実質的に非晶質部分を含まない状態にしておけばよく、このような結晶質シリコン膜５は、レーザアニール法または固相成長法（熱処理法）によって容易に得ることができる。また、結晶質シリコン膜５の結晶粒径を２００ｎｍよりも大きく設定しておけば、その結晶粒径と同程度の大粒径の柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。たとえば、金属触媒を用いた固相成長法によって、結晶粒径が１μｍ程度の結晶質シリコン膜５を準備すれば、結晶粒径が１μｍ程度の柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。さらに、柱状結晶質シリコン膜７は、結晶質シリコン膜５の結晶性を引き継ぐため、膜厚方向を横切る結晶粒界のない高品質な結晶を得ることができる。
【００７１】
また、非晶質シリコン膜４に向けて照射するエキシマレーザ１０のエネルギ密度はＥ２≦Ｅ＜Ｅ１２の範囲内に設定されていればよいので、エネルギ密度を厳密に調整する必要がない。このため、レーザアニール処理時のプロセスマージンを大きくすることができる。
【００７２】
（実施の形態２）
この発明の実施の形態２における結晶質薄膜の形成方法は、実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法と、図４に示す工程において照射されるエキシマレーザ１０のエネルギ密度の範囲が異なる。
【００７３】
図７および図８を参照して、図１から図３に示す工程を行なった後、レーザアニールＡおよびＢを行なう。電子顕微鏡またはＸ線回折法などを用いて結晶粒径を測定しエネルギ密度ＥｃおよびＥｄを特定する。図１２を参照して、エネルギ密度Ｅｃは、レーザアニールＡにおいてエネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度である。図１８を参照して、エネルギ密度Ｅｄは、レーザアニールＢにおいて結晶粒径が最大となるエネルギ密度である。
【００７４】
図４を参照して、非晶質シリコン膜４の上面に向けて、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦなどのエキシマレーザ１０を照射し、エキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜４に対して相対的に走査させる。エキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅを、Ｅｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすように設定しておく。図２５を参照して、Ｅｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たす範囲は矢印４５が示す範囲に相当する。
【００７５】
この発明の実施の形態２に従った結晶質薄膜の形成方法において、結晶質シリコン膜５を形成する工程は、膜厚Ｔ１で結晶質シリコン膜５を形成する工程を含み、非晶質シリコン膜４を形成する工程は、膜厚Ｔ２で非晶質シリコン膜４を形成する工程を含む。非晶質シリコン膜４に向けてレーザを照射する工程は、Ｅｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度Ｅで、非晶質シリコン膜４に向けてレーザを照射する工程を含む。膜厚がＴ２で、かつ非晶質シリコン膜４と同一材質の膜としての非晶質シリコン膜２１にレーザを照射し溶融させた後、非晶質シリコン膜２１を凝固させて結晶化したとき、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度をＥｃ（≒Ｅ２）とし、膜厚がＴ１＋Ｔ２で、かつ非晶質シリコン膜４と同一材質の膜としての非晶質シリコン膜２２にレーザを照射し溶融させた後、非晶質シリコン膜２２を凝固させて結晶化したとき、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度をＥｄ（＜Ｅ１２）とする。
【００７６】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、実施の形態１に記載した効果を得ることができる。さらに、エネルギ密度をＥｄとしてエキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜４に向けて照射した場合、基板１上に結晶質シリコン膜５の非溶融部５ｂが確実に残存する。このため溶融後の冷却時において、結晶質シリコン膜５を結晶核とした結晶成長を実現することができる。したがって、エキシマレーザ１０のエネルギ密度ＥをＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの範囲にしておくことによって、最大の結晶粒径の柱状結晶質シリコン膜７を形成することができる。
【００７７】
以下において、実施の形態１および２における結晶質薄膜の形成方法を立証する具体例を、表面ＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真を用いて説明する。
【００７８】
図２６は、図２中に示す結晶質シリコン膜５を示す表面ＳＥＭ写真である。図２６を参照して、結晶質シリコン膜５の平均結晶粒径は約２００ｎｍで、膜厚Ｔ１は４５ｎｍである。
【００７９】
図３に示す工程で、膜厚Ｔ２を４０ｎｍとして、プラズマＣＶＤ法により非晶質シリコン膜４を形成した。図４に示す工程で、エキシマレーザ１０に波長３０８ｎｍ、発振周波数２００Ｈｚ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザを用い、複数のショット数でレーザ照射を行なった。エキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅには、２５７ｍＪ／ｃｍ２、２９４ｍＪ／ｃｍ２および３４５ｍＪ／ｃｍ２の３種を用い、柱状結晶質シリコン膜７を形成した。以上の実施を具体例１と呼ぶものとする。
【００８０】
図２７から図２９は、具体例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２５７ｍＪ／ｃｍ２、２９４ｍＪ／ｃｍ２および３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。図２７から図２９を参照して、エキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅが２５７ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が小さい柱状結晶質シリコン膜７が形成された。エキシマレーザ１０のエネルギ密度が２９４ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が大幅に大きくなり、エネルギ密度が３４５ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が最大となって結晶質シリコン膜５の平均結晶粒径と同程度の約２００ｎｍとなった。
【００８１】
次に、図２７から図２９に示した表面ＳＥＭ写真と比較するため、図７に示すレーザアニールＡを行なった。図７を参照して、成膜条件を具体例１の非晶質シリコン膜４と同じにして、基板２０上に非晶質シリコン膜２１を膜厚４０ｎｍで形成した。この非晶質シリコン膜２１に向けて、エキシマレーザ１５を照射した。このエキシマレーザ１５を照射する条件は、具体例１と全く同じにした。以上の実施を比較例１と呼ぶものとする。
【００８２】
図３０から図３２は、比較例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２５７ｍＪ／ｃｍ２、２９４ｍＪ／ｃｍ２および３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の結晶質シリコン膜の表面ＳＥＭ写真である。図３０から図３２を参照して、エキシマレーザ１５のエネルギ密度が２５７ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が小さい結晶質シリコン膜が形成された。エキシマレーザ１５のエネルギ密度が２９４ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が大幅に大きくなり、エネルギ密度が３４５ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が再び小さくなった。
【００８３】
以上の具体例１および比較例１の結果から、図２５中のエネルギ密度ＥａからＥｅの各値が以下の関係にあることが分かった。
【００８４】
Ｅａ≦２５７ｍＪ／ｃｍ２＜Ｅｂ
Ｅｂ≒２９４ｍＪ／ｃｍ２
Ｅｃ≒Ｅ２≦３４５ｍＪ／ｃｍ２≦Ｅｄ＜Ｅｅ≒Ｅ１２
上式を考慮して、図４に示す工程で、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２、またはＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度３４５ｍＪ／ｃｍ２で、エキシマレーザ１０を照射すると、結晶質シリコン膜５の結晶粒径と同程度の結晶粒径の柱状結晶質シリコン膜７を形成できることを確認できた。
【００８５】
次に、結晶粒径が２００ｎｍよりも小さい結晶質シリコン膜５を用いて、実施の形態１および２における結晶質薄膜の形成方法を実施した。図３３は、図２中に示す結晶質シリコン膜５を示す表面ＳＥＭ写真である。図３３を参照して、結晶質シリコン膜５の結晶粒径は数１０ｎｍで、膜厚Ｔ１は４５ｎｍである。図３および図４に示す工程で、非晶質シリコン膜４を形成する条件、およびエキシマレーザ１０を照射する条件は、具体例１の条件と全く同一にした。以上の実施を具体例２と呼ぶものとする。
【００８６】
図３４から図３６は、具体例２において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２５７ｍＪ／ｃｍ２、２９４ｍＪ／ｃｍ２および３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。図３４から図３６を参照して、エキシマレーザ１０のエネルギ密度が２５７ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が小さい柱状結晶質シリコン膜７が形成された。エキシマレーザ１０のエネルギ密度が２９４ｍＪ／ｃｍ２の場合、結晶粒径が大幅に大きくなり、エネルギ密度が３４５ｍＪ／ｃｍ２の場合、平均結晶粒径が２００ｎｍ程度となった。
【００８７】
以上の具体例２の結果から、実施の形態１および２おける結晶質薄膜の形成方法によれば、結晶質シリコン膜５の結晶粒径が微小であっても、平均結晶粒径が２００ｎｍ程度の柱状結晶質シリコン膜７が得られることを確認できた。
【００８８】
次に、結晶質シリコン膜５および柱状結晶質シリコン膜７の結晶性の相関関係について調べた。図３７は、レーザのエネルギ密度Ｅとラマン散乱スペクトルのピークの半値幅との関係を示すグラフである。ラマン散乱スペクトルのピークの中心波数は、ラマン散乱分光計の測定スポット（１μｍ程度）内にある結晶の平均的なストレスを示し、ストレスが大きければ中心波数は小さくなる。また、測定スポット内に異なるストレスの結晶が存在する場合には、そのストレス分布（バラツキ）の幅が大きいほどラマン散乱スペクトルのピークの半値幅が大きくなる。
【００８９】
図３７を参照して、横軸に図４に示す工程で照射するエキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅを、縦軸にラマン散乱スペクトルのピーク（中心波数が約５１８ｃｍ−１）の半値幅をとった。実線５３および５１はそれぞれ、具体例１および２によって得られた柱状結晶質シリコン膜７の結果を示している。一点鎖線５５および点線５４はそれぞれ、具体例１および２に使用されている結晶質シリコン膜５のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅を示している。なお比較のため、比較例１によって得られた結晶質シリコン膜の結果を実線５２に示している。
【００９０】
具体例１および２の結果を示す実線５３および５１は、比較例１の結果を示す実線５２のように谷形形状とならず、エネルギ密度Ｅの増加にしたがってラマン散乱スペクトルのピークの半値幅がほぼ単調減少した。また、エネルギ密度３４５ｍＪ／ｃｍ２において実線５３および５１は、一点鎖線５５および点線５４にそれぞれ漸近した。
【００９１】
図３８は、結晶質シリコン膜５のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅と、柱状結晶質シリコン膜７のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅との関係を示すグラフである。種々の半値幅を有する結晶質シリコン膜５の上に非晶質シリコン膜４を形成し、非晶質シリコン膜４に向けてエキシマレーザ１０を照射し柱状結晶質シリコン膜７を形成した。エキシマレーザ１０のエネルギ密度には、２５７ｍＪ／ｃｍ２、２９４ｍＪ／ｃｍ２および３４５ｍＪ／ｃｍ２の３種を用いた。図３８を参照して、縦軸に柱状結晶質シリコン膜７のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅を、横軸に結晶質シリコン膜５のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅をとった。点６２、６３および６４は、それぞれエキシマレーザ１０のエネルギ密度が２５７ｍＪ／ｃｍ２、２９４ｍＪ／ｃｍ２および３４５ｍＪ／ｃｍ２の場合を示す。点線６１は、柱状結晶質シリコン膜７および結晶質シリコン膜５のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅が等しい場合を示す。結晶質シリコン膜５の半値幅がいくらであっても、エキシマレーザ１０のエネルギ密度が３４５ｍＪ／ｃｍ２の場合を示す点６４が点線６１に近接した。
【００９２】
以上の図３７および図３８に示す結果から、エネルギ密度が３４５ｍＪ／ｃｍ２のエキシマレーザ１０を照射することによって得られる柱状結晶質シリコン膜７のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅は、結晶質シリコン膜５のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅にほぼ等しくなることが分かった。
【００９３】
柱状結晶質シリコン膜７の個々の結晶が、結晶質シリコン膜５の個々の結晶を結晶核として膜厚方向（図５中の矢印９に示す方向）に成長した（結晶性を引き継いだ）とすると、結晶質シリコン膜５の個々の結晶の原子間距離を保ちながら柱状結晶質シリコン膜７の個々の結晶成長が進む。すなわち、結晶質シリコン膜５の結晶のストレスの分布（バラツキ）を柱状結晶質シリコン膜７が引き継ぐことを意味する。ラマン散乱スペクトルのピークの半値幅は、その測定スポット内にある結晶のストレスの分布（バラツキ）を表わすものであるから、エキシマレーザ１０のエネルギ密度が３４５ｍＪ／ｃｍ２の場合、柱状結晶質シリコン膜７が結晶質シリコン膜５を結晶核として成長していること、すなわち柱状結晶質シリコン膜７に膜厚方向を横切る結晶粒界が存在しないことを確認できた。
【００９４】
さらに、柱状結晶質シリコン膜７が結晶質シリコン膜５の結晶性を引き継いでいることを確認するため、Ｘ線回折を用いた調査を行なった。図３９は、具体例１において、レーザのエネルギ密度を３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７および結晶質シリコン膜５のＸ線回折を示すグラフである。図３９を参照して、実線６８は、結晶質シリコン膜５のＸ線回折の結果を、実線６６は、柱状結晶質シリコン膜７のＸ線回折の結果を示す。柱状結晶質シリコン膜７（実線６６）が結晶質シリコン膜５（実線６８）と同じく、（１１１）優先配向を示す部分６７を有していることが分かった。このことから、柱状結晶質シリコン膜７が結晶質シリコン膜５の結晶性を引き継いでいることを確認できた。
【００９５】
（実施の形態３）
この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法は、実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法に、成膜およびレーザアニールを繰り返す工程をさらに備える。図４０から図４７は、この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の工程を示す断面図である。
【００９６】
図４０を参照して、実施の形態１における図１から図６に示す工程を行ない、基板１上に、膜厚Ｔ１＋Ｔ２の柱状結晶質シリコン膜７１を形成する。図４０に示す状態は、実施の形態１における図６に示す状態に相当する。
【００９７】
図４１を参照して、図４に示す工程でエキシマレーザ１０を照射した非晶質シリコン膜４上、つまり柱状結晶質シリコン膜７１上に非晶質シリコン膜７２を膜厚Ｔｋ＝Ｔ３（ｋ＝３）で形成する。非晶質シリコン膜７２は、プラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法またはスパッタ法などにより形成する。非晶質シリコン膜７２の膜厚Ｔ３は、１０ｎｍから１００ｎｍとし、膜厚Ｔ２と必ずしも等しいことを要求しない。
【００９８】
図４２を参照して、基板１とは別の基板２０上に、非晶質シリコン膜７２と同一材質の非晶質シリコン膜８１を膜厚Ｔｋ（＝Ｔ３）で形成し、エキシマレーザ１５を非晶質シリコン膜８１に向けて照射する（レーザアニールＡ）。その結果得られる結晶質シリコン膜の結晶粒径を電子顕微鏡、またはＸ線回折を用いて測定し、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度Ｅｃｋ（＝Ｅｃ３）を特定する。
【００９９】
図４３を参照して、基板１とは別の基板２０上に、非晶質シリコン膜７２と同一材質の非晶質シリコン膜８２を膜厚Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３（ｋ＝３）で形成し、エキシマレーザ１５を非晶質シリコン膜８２に向けて照射する（レーザアニールＢ）。その結果得られる結晶質シリコン膜の結晶粒径を電子顕微鏡、またはＸ線回折を用いて測定し、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度Ｅｅ１ｋ（＝Ｅｅ１３）を特定する。
【０１００】
図４４を参照して、図４１の工程で形成される非晶質シリコン膜７２の上面に向けて、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦなどのエキシマレーザ１０を照射し、エキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜７２に対して相対的に走査させる。エキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅを、Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋ（ｋ＝３；Ｅ３≦Ｅ＜Ｅ１３）の関係を満たすように設定しておく。エネルギ密度Ｅｋ（＝Ｅ３）は、非晶質シリコン膜７２を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値であり、エネルギ密度Ｅ１ｋ（＝Ｅ１３）は、柱状結晶質シリコン膜７１および非晶質シリコン膜７２の両方を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値である。Ｅ３≒Ｅｃ３およびＥ１３≒Ｅｅ１３の関係から、図４２および図４３に示す方法で特定したエネルギ密度Ｅｃｋ（＝Ｅｃ３）およびＥｅ１ｋ（＝Ｅｅ１３）を用いて、Ｅｃｋ≦Ｅ＜Ｅｅ１ｋ（Ｅｃ３≦Ｅ＜Ｅｅ１３）の関係を満たすエネルギ密度のエキシマレーザ１０を照射すればよい。
【０１０１】
図４５を参照して、エキシマレーザ１０の照射により、非晶質シリコン膜７２の全部７２ａ、または非晶質シリコン膜７２の全部７２ａおよび柱状結晶質シリコン膜７１の一部７１ａが溶融して、溶融部７３が形成される。基板１上には、柱状結晶質シリコン膜７１の溶融していない部分である非溶融部７１ｂが残存する。
【０１０２】
図４６を参照して、実施の形態１で記載した場合と同様に、柱状結晶質シリコン膜７１の非溶融部７１ｂを結晶核とした結晶成長が起こり、柱状結晶質シリコン膜７４が膜厚Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３で形成される。柱状結晶質シリコン膜７４は、実施の形態１の図６に示す柱状結晶質シリコン膜７と同様の性質を有する。
【０１０３】
図４６に示す工程の後、ｋの値をｋ＝４、５、６…と順次増加させて上述の図４１から図４５に示す工程を繰り返す。図４７を参照して、このような工程を繰り返すことによって、膜厚がＴ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋの柱状結晶質シリコン膜７５が形成される。
【０１０４】
この発明の実施の形態３に従った結晶質薄膜の形成方法は、レーザを照射した第ｋ−１の非晶質シリコン膜（ｋ＝３の場合は第２の薄膜である非晶質シリコン膜４）上に、第ｋの薄膜（ｋ＝３の場合は非晶質シリコン膜７２）を形成する工程と、Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋ（ｋ＝３の場合はＥ３≦Ｅ＜Ｅ１３）の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜（ｋ＝３の場合は非晶質シリコン膜７２）に向けてレーザを照射する工程とを、ｋの値をｋ＝３から順次増加させて繰り返す工程をさらに備える。第ｋの薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥｋとし、結晶質シリコン膜５から第ｋの薄膜を完全に溶融するために必要なエネルギ密度の最小値をＥ１ｋとする。
【０１０５】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、最終的に得られる柱状結晶質シリコン膜７５は、最下層の図２に示す結晶質シリコン膜５の結晶性を引き継いだものとなる。したがって、膜厚方向に横切る結晶粒界のない大粒径の柱状結晶質シリコン膜７５を、膜厚を大きくして形成することができる。特に、レーザアニール処理にエキシマレーザのような短波長レーザを用いる場合、数ｎｍから数１０ｎｍほどの深さまでしか非晶質シリコン膜にエネルギが吸収されないため、このように成膜とレーザアニールを繰り返す手段が有用である。また、成膜とレーザアニールを繰り返すほどＥ１ｋの値が大きくなるので、使用するエキシマレーザのエネルギ密度の範囲Ｅｋ≦Ｅ＜Ｅ１ｋが広くなり、レーザアニール処理時のプロセスマージンがさらに大きくなる。なお、柱状結晶質シリコン膜７５の結晶粒径を大きくしようとすれば、結晶質シリコン膜５の結晶粒径を大きくしておけばよい。
【０１０６】
（実施の形態４）
この発明の実施の形態４における結晶質薄膜の形成方法は、実施の形態２における結晶質薄膜の形成方法に、成膜およびレーザアニールを繰り返す工程をさらに備える。成膜およびレーザアニールを繰り返す手順は、図４０から図４７に示す実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法と同じであるが、図４４に示す工程で照射するエキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅの範囲が異なる。
【０１０７】
図４３を参照して、基板２０上に、非晶質シリコン膜７２と同一材質の非晶質シリコン膜８２を膜厚Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３（ｋ＝３）で形成し、エキシマレーザ１５を非晶質シリコン膜８２に向けて照射する（レーザアニールＢ）。その結果得られる結晶質シリコン膜の結晶粒径を電子顕微鏡、またはＸ線回折を用いて測定し、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度Ｅｄ１ｋ（＝Ｅｄ１３）を特定する。
【０１０８】
図４４を参照して、非晶質シリコン膜７２の上面に向けて、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦなどのエキシマレーザ１０を照射し、エキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜７２に対して相対的に走査させる。エキシマレーザ１０のエネルギ密度Ｅを、Ｅｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋ（ｋ＝３；Ｅｃ３≦Ｅ≦Ｅｄ１３）の関係を満たすように設定しておく。
【０１０９】
この発明の実施の形態４に従った結晶質薄膜の形成方法は、レーザを照射した第ｋ−１の非晶質シリコン膜（ｋ＝３の場合は第２の薄膜である非晶質シリコン膜４）上に、膜厚Ｔｋで第ｋの薄膜（ｋ＝３の場合は非晶質シリコン膜７２）を形成する工程と、Ｅｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋ（ｋ＝３の場合はＥｃ３≦Ｅ≦Ｅｄ１３）の関係を満たすエネルギ密度Ｅで、第ｋの薄膜（ｋ＝３の場合は非晶質シリコン膜７２）に向けてレーザを照射する工程とを、ｋの値をｋ＝３から順次増加させて繰り返す工程をさらに備える。膜厚がＴｋ＝Ｔ３で、かつ第ｋ＝３の薄膜としての非晶質シリコン膜７２と同一材質の非晶質シリコン膜８１にレーザを照射し溶融させた後、非晶質シリコン膜８１を凝固させて結晶化したとき、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、エネルギ密度の増加に対して結晶粒径の減少がほぼ飽和するエネルギ密度をＥｃｋ＝Ｅｃ３とし、膜厚がＴ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３で、かつ第ｋ＝３の薄膜としての非晶質シリコン膜７２と同一材質の非晶質シリコン膜８２にレーザを照射し溶融させた後、非晶質シリコン膜８２を凝固させて結晶化したとき、エネルギ密度と結晶粒径との関係において、結晶粒径が最大となるエネルギ密度をＥｄ１ｋ＝Ｅｄ１３とする。
【０１１０】
なお、実施の形態１または２で用いたエネルギ密度ＥｃおよびＥｄは、ＥｃｋおよびＥｄ１ｋにおいてｋの値が２の場合のＥｃ２およびＥｄ１２に該当する。
【０１１１】
このように構成された結晶質薄膜の形成方法によれば、実施の形態２に記載した効果を得ることができる。つまり、エネルギ密度Ｅｄ１ｋ＝Ｅｄ１３としてエキシマレーザ１０を第ｋ＝３の薄膜である非晶質シリコン膜７２に向けて照射した場合、基板１上に溶融されていない柱状結晶質シリコン膜７１の非溶融部７１ｂが確実に残存する。このため溶融後の冷却時において、非溶融部７１ｂを結晶核とした結晶成長を実現することができる。したがって、成膜と、エネルギ密度ＥをＥｃｋ≦Ｅ≦Ｅｄ１ｋの範囲としたエキシマレーザ１０の照射とを繰り返すことによって、膜厚方向に横切る結晶粒界がない、結晶粒径が最大の柱状結晶質シリコン膜７５を膜厚を大きくして形成することができる。
【０１１２】
（実施の形態５）
この発明の実施の形態５では、実施の形態１から４における結晶質薄膜の形成方法に用いられる結晶質薄膜の製造装置について説明する。図４８は、この発明の実施の形態５における結晶質薄膜の製造装置を示す断面図である。図４９は、図４８中の連通口および放電電極の詳細を示す斜視図である。
【０１１３】
図４８および図４９を参照して、結晶質薄膜の製造装置２００は、成膜チャンバ２０１、レーザアニールチャンバ２０２、基板ホルダ２０５、および移動手段２０６を備える。成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２は、隔壁２３０によって分離されており、隔壁２３０には成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２を連通している連通口２０３が形成されている。成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２間を連通口２０３を介して往復移動可能なように（図中のＸ方向に移動可能なように）、基板１を載置した基板ホルダ２０５が移動手段２０６によって支持されている。
【０１１４】
基板ホルダ２０５には、基板１を必要に応じて加熱できるように図示しないヒータが設けられている。移動手段２０６は、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２の外部に設けられた駆動部２０６ａ、蛇腹部２０６ｂ、ならびに駆動部２０６ａおよび基板ホルダ２０５を連結するシャフト部２０６ｃによって構成されており、いわゆる御神輿機構が採用されている。移動手段２０６には、ラックピニオン機構またはボールネジ機構などの機構を採用してもよい。但し、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２内部のパーティクルを抑制する観点から御神輿機構が望ましい。
【０１１５】
連通口２０３の開口幅は、基板１および基板ホルダ２０５が通過できる範囲で可能な限り狭く設定されており、図中のＸ方向の長さは、設計上可能な限り長く設定されている。これによって、連通口２０３における空間のコンダクタンス（気体の流れやすさ）を極力小さくすることができる。なお、基板ホルダ２０５において基板１を載置していない部分２０５ａのみが連通口２０３を通過する場合にも連通口２０３における空間のコンダクタンスを小さくできるように、基板ホルダ２０５には突出部２０５ａが形成されている。
【０１１６】
成膜チャンバ２０１には、基板１と対向するように放電電極２０７が設けられている。放電電極２０７は、断面が円弧状である曲面を有し、高周波電源２０９と接続されている。放電電極２０７の近傍には、絶縁体からなる第１のカバー体２０８ａ、および第２のカバー体２０８ｂが設けられている。第１のカバー体２０８ａおよび第２のカバー体２０８ｂは、カバー体２０８を構成している。第１のカバー体２０８ａの外周部は、導体で覆われて接地されていてもよい。
【０１１７】
カバー体２０８は、放電電極２０７および基板１とともに、ほぼ気密な空間２３１を形成する。空間２３１と連通するように、ガスボンベなどからなる成膜用ガス供給手段２１０、および真空ポンプなどからなる成膜用ガス排気手段２１１が設けられている。成膜用ガス供給手段２１０から供給された成膜用ガス２３２は、空間２３１を通り成膜用ガス排気手段２１１に至る。このようにして構成されるガス流路２３４は、滑らかなＵ字形状を有し、コンダクタンスが非常に大きい。また、第１のカバー体２０８ａの底面部２０８ｃは、可能な限り狭い空間を隔てて基板１と対向するように、また図中のＸ方向の長さが可能な限り長くなるように形成されている。したがって、成膜用ガス供給手段２１０から供給された成膜用ガス２３２は、ガス流路２３４の外部にほとんどリークすることなく成膜用ガス排気手段２１１に至る。成膜チャンバ２０１の底面には、成膜チャンバ２０１内部の雰囲気を形成するための第１雰囲気ガス供給手段２１２、および第１雰囲気ガス排気手段２１３が設けられている。
【０１１８】
レーザアニールチャンバ２０２の上面には、石英などの材質で形成された窓部２２４が設けられており、その上方にレーザ照射部２２１が設けられている。ホモジナイザなどで形成される光学系２２２がレーザ照射部２２１と接続されている。ＸｅＣｌ、ＫｒＦおよびＡｒＦなどのエキシマレーザをパルス状に出射できるレーザ発振器２２３が光学系２２２と接続されている。レーザ発振器２２３の発振周波数は数１００Ｈｚ程度で、パルス幅は数１０ｎｓ程度である。レーザ発振器２２３から出射されたエキシマレーザ２３３は、光学系２２２を通ってレーザ照射部２２１に導かれ、窓部２２４を介して基板１の表面に照射される。基板１に照射されるエキシマレーザ２３３の図中Ｘ方向の長さは１ｍｍ程度である。レーザアニールチャンバ２０２の底面には、レーザアニールチャンバ２０２内部の雰囲気を形成するための第２雰囲気ガス供給手段２２５、および第２雰囲気ガス排気手段２２６が設けられている。
【０１１９】
これより、結晶質薄膜の製造装置２００を用いて、実施の形態１から４における結晶質薄膜の形成方法を実施する場合について説明する。
【０１２０】
成膜用ガス排気手段２１１、第１雰囲気ガス排気手段２１３および第２雰囲気ガス排気手段２２６を用いて、ガス流路２３４、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２の内部を減圧する。その後、第１雰囲気ガス供給手段２１２により成膜チャンバ２０１内部に第１雰囲気ガスを導入する。第２雰囲気ガス供給手段２２５によりレーザアニールチャンバ２０２内部に第２雰囲気ガスを導入する。そして、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２の内部を所定の圧力に設定する。その後は、この圧力を維持するために、第１雰囲気ガス供給手段２１２、第１雰囲気ガス排気手段２１３、第２雰囲気ガス供給手段２２５および第２雰囲気ガス排気手段２２６を適宜調整しながら動作させておいてもよい。第１雰囲気ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）またはアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを用い、第２の雰囲気ガスとしては、ヘリウム、アルゴンまたは窒素（Ｎ２）などが用いられる。第１雰囲気ガスおよび第２雰囲気ガスは同種であることが好ましく、たとえばヘリウムが用いられる。
【０１２１】
次に、成膜用ガス供給手段２１０および成膜用ガス排気手段２１１を同時に動作させて成膜用ガス２３２をガス流路２３４に供給し、所定の圧力でＵ字形状の高速のガス流を形成する。成膜用ガス２３２としては、成膜に寄与する反応ガスのみ、または成膜に寄与する反応ガスおよび不活性ガスの混合ガスが用いられる。反応ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）などのシリコン原子を含むガスが、必要に応じて水素（Ｈ２）などのガスと混合されて用いられ非晶質シリコン膜を形成する。不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴンなどが用いられるが、第１雰囲気ガスと同種のガスであることが好ましく、たとえばヘリウムが用いられる。
【０１２２】
ガス流路２３４内の圧力をＲｐと、成膜チャンバ２０１内の圧力をＰ１と、レーザアニールチャンバ２０２内の圧力をＰ２とした場合、Ｒｐ＜Ｐ１≧Ｐ２の関係を満たすようにそれぞれの圧力を設定しておくことが好ましい。たとえば、ガス流路２３４、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２を以下に示すガス雰囲気に設定する。
【０１２３】
ガス流路２３４；ヘリウム＋モノシラン（１３．３ｋＰａ）
成膜チャンバ２０１；ヘリウム（１４．７ｋＰａ）
レーザアニールチャンバ２０２；ヘリウム（１４．０ｋＰａ）
上述のように成膜チャンバ２０１およびガス流路２３４を異なるガス雰囲気下に形成できるのは、ガス流路２３４がＵ字形状を有しコンダクタンスが非常に大きいこと、および第１のカバー体２０８ａの底面部２０８ｃと基板１との間のコンダクタンスが非常に小さいことによる。また、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２を異なるガス雰囲気下に形成できるのは、連通口２０３における空間のコンダクタンスが非常に小さいことによる。このような構造により、成膜用ガス２３２がレーザアニールチャンバ２０２内部に混入することを防止できる。また、レーザアニールチャンバ２０２内に成膜用ガス２３２と異なるガスが存在する場合にも、そのガスがガス流路２３４に混入することを防止できる。これらの作用は、ガス流路２３４、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２内の圧力を上式の関係にしておくことによって、より顕著なものとなる。なお、成膜チャンバ２０１、ガス流路２３４およびレーザアニールチャンバ２０２内の圧力を上式の関係にすることによって、成膜チャンバ２０１内の第１雰囲気ガスがガス流路２３４内に微量に混入することが考えられる。しかし、第１雰囲気ガスは不活性ガスであるため、これが微量に混入したとしても非晶質シリコン膜の成膜特性に大きく影響を与えることはない。
【０１２４】
ガス流路２３４、成膜チャンバ２０１およびレーザアニールチャンバ２０２を上述のガス雰囲気下とした状態で、移動手段２０６によって基板１および基板ホルダ２０５を、レーザアニールチャンバ２０２から成膜チャンバ２０１の方向（図中の左方向）に連続的に移動させる。左方向に移動している基板１は、放電電極２０７と対向している部分において、成膜用ガス供給手段２１０から成膜用ガス２３２を供給される。高周波電源２０９から放電電極２０７に高周波電力を供給する。空間２３１において、成膜用ガス２３２に基づくプラズマが発生し、モノシランなどの反応ガス分子が分解および励起される。このようにして生成された反応種の作用（プラズマＣＶＤ）により、基板１上に非晶質シリコン膜を形成する。基板１を左方向に移動させることで、非晶質シリコン膜を順次連続的に基板１上に形成する。基板１の右端部まで非晶質シリコン膜が形成された段階で、基板１の左方向への移動を停止し、次に右方向（成膜チャンバ２０１からレーザアニールチャンバ２０２に向かう方向）に基板１を移動させる。基板１を右方向に移動させることによって、左方向への移動により形成した非晶質シリコン膜上に、さらに非晶質シリコン膜を順次連続的に形成する。上述の基板１を左右に移動させて成膜を行なう工程によって、非晶質シリコン膜２を膜厚Ｔ１で基板１上に形成する。以上の工程は、図１に示す工程に相当する。
【０１２５】
上記基板１の右方向への移動により基板１に対して成膜を行っている際、すでに非晶質シリコン膜２の形成が完了している右側部分は、基板１の右端部から順次連続的に連通口２０３を通ってレーザアニールチャンバ２０２に至る。そして、レーザ照射部２２１と対向する位置にて、非晶質シリコン膜２に向けてエキシマレーザ２３３が照射される。このエキシマレーザ２３３の照射は、基板１の右方向への移動により順次連続的に施される。そして、非晶質シリコン膜２の形成が最後に完了した基板１の左端部までエキシマレーザ２３３が照射された段階で基板１の右方向への移動を停止し、次に左方向に基板１を移動させる。上述の基板１を左右に移動させてエキシマレーザ２３３を照射する工程によって、非晶質シリコン膜２の溶融および結晶化を行ない結晶質シリコン膜５を形成する。以上の工程は、図２に示す工程に相当する。なお、基板１の右方向の移動のみでも結晶質シリコン膜５を形成できるが、さらに左方向の移動においてもエキシマレーザ２３３を照射することによって、エキシマレーザ２３３の出力変動などの不確定要因があったとしても、その影響を小さくできる。
【０１２６】
上記基板１の左方向への移動によりエキシマレーザ２３３の照射を行っている際、すでに結晶質シリコン膜５の形成が完了している左側部分は、基板１の左端部から順次連続的に連通口２０３を通って成膜チャンバ２０１に至る。その後、上記と同様に、基板１を左右に移動させて成膜を行なう工程によって、非晶質シリコン膜４を膜厚Ｔ２で結晶質シリコン膜５上に形成する。以上の工程は、図３に示す工程に相当する。
【０１２７】
上記基板１の右方向への移動により基板１に対して成膜を行っている際、すでに非晶質シリコン膜４の形成が完了している右側部分は、基板１の右端部から順次連続的に連通口２０３を通ってレーザアニールチャンバ２０２に至る。その後、上記と同様に、基板１を左右に移動させてエキシマレーザ２３３を照射する工程によって、非晶質シリコン膜４および結晶質シリコン膜５の溶融および結晶化を行ない柱状結晶質シリコン膜７を形成する。エネルギ密度Ｅを、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２またはＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすように設定しておく。以上の工程は、図４から図６に示す工程に相当する。なお、基板１の右方向の移動のみでも柱状結晶質シリコン膜７を形成できるが、さらに左方向の移動においてもエキシマレーザ２３３を照射することによって、エキシマレーザ２３３の出力変動などの不確定要因があったとしても、その影響を小さくできる。
【０１２８】
さらに、基板１を成膜チャンバ２０１とレーザアニールチャンバ２０２との間で左右に移動させ、成膜を行う工程と、所定のエネルギ密度のエキシマレーザ２３３を照射する工程とを繰り返すことによって、図４７に示す膜厚Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｋ−１＋Ｔｋの柱状結晶質シリコン膜７５を形成することができる。
【０１２９】
この発明の実施の形態５に従った結晶質薄膜の製造装置は、実施の形態１から４に記載の結晶質薄膜の形成方法に用いられる結晶質薄膜の製造装置２００である。結晶質薄膜の製造装置２００は、基板１上に薄膜を形成する成膜チャンバ２０１と、薄膜に向けてレーザを照射するレーザアニールチャンバ２０２と、基板１を保持する基板ホルダ２０５と、基板ホルダ２０５を成膜チャンバ２０１からレーザアニールチャンバ２０２へ連続的に移動させる移動手段２０６とを備える。
【０１３０】
移動手段２０６は、成膜チャンバ２０１とレーザアニールチャンバ２０２との間で、基板ホルダ２０５を往復移動させることが可能である。なお、成膜チャンバ２０１とレーザアニールチャンバ２０２とは、それらが併設されていればよく、各々のチャンバ数は何個であってもよい。例えば、図４８のレーザアニールチャンバ２０２の右側にも、さらに、成膜チャンバ２０１を追加して設ける構成でも良い。
【０１３１】
このように構成された結晶質薄膜の製造装置２００によれば、実施の形態１から４に記載した結晶質薄膜の形成方法を一貫してインラインで行なうことができる。また、基板１を移動させながら、成膜処理とレーザアニール処理とを同時に行う事ができる。このため、別々に設けられた成膜チャンバおよびレーザアニールチャンバで基板１のやりとりを行なう必要がなくなり、結晶質薄膜の製造のスループットを大幅に向上させることができる。特に、成膜とレーザアニール処理とを交互に繰り返して数μｍの膜厚の柱状結晶質シリコン膜７５を形成する場合に、このような効果が顕著に表れる。
【０１３２】
（実施の形態６）
この発明の実施の形態６では、実施の形態１および２における結晶質薄膜の形成方法を用いて形成された柱状結晶質シリコン膜を備えるトップゲート型薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）について説明する。図５０は、この発明の実施の形態６におけるトップゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。
【０１３３】
図５０を参照して、トップゲート型薄膜トランジスタ３００は、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜などのベースコート膜が表面に形成されたガラス、または石英などからなる基板３０１を備える。基板３０１上に、実施の形態１または２における結晶質薄膜の形成方法を用いて形成された柱状結晶質シリコン膜７が形成されている。柱状結晶質シリコン膜７は、ノンドープ部であるチャネル領域３０４ａ、ならびにイオン注入することによって形成されたｎ＋型（またはｐ＋型）のソース／ドレイン領域３０４ｂおよびｃにより構成されている。基板３０１および柱状結晶質シリコン膜７を覆うようにして、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜または窒化珪素（ＳｉＮＸ）膜などのゲート絶縁膜３１２がプラズマＣＶＤ法などにより形成されている。ゲート絶縁膜３１２上に、アルミニウム（Ａｌ）などのゲート電極３１３がスパッタ法などにより形成されている。ゲート電極３１３およびゲート絶縁膜３１２を覆うようにして、層間絶縁膜３１４がプラズマＣＶＤ法または塗布材料の焼成などによって形成されている。層間絶縁膜３１４上には、ソース／ドレイン領域３０４ｂおよびｃに達するように、ソース／ドレイン電極３１５ｂおよびｃが形成されている。
【０１３４】
この発明の実施の形態６に従った薄膜トランジスタとしてのトップゲート型薄膜トランジスタ３００は、実施の形態１または２に記載の結晶質薄膜の形成方法によって形成された結晶質薄膜としての柱状結晶質シリコン膜７を備える。
【０１３５】
続いてトップゲート型薄膜トランジスタ３００が備える柱状結晶質シリコン膜７の形成方法を、図を用いて簡単に説明する。図１を参照して、プラズマＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法やスパッタ法などによって、非晶質シリコン膜２を形成し、その膜厚Ｔ１を１０ｎｍ程度に設定しておく。図２を参照して、エキシマレーザ３のエネルギ密度Ｅを厳密に設定して結晶粒径が最大となる結晶質シリコン膜５を形成する。また、レーザアニール法によらず、熱処理法によって結晶質シリコン膜５を形成してもよい。この場合、固相成長によって大粒径の結晶を形成するために、長時間低温で熱処理したり、もしくは、ニッケル（Ｎｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）などの金属触媒を用いて熱処理しても良い。このようにして形成される結晶質シリコン膜５の結晶粒径は、２００ｎｍから１μｍ程度になる。図３を参照して、非晶質シリコン膜４を、プラズマＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法やスパッタ法などによって形成し、その膜厚Ｔ２を４０ｎｍ程度に設定しておく。図４を参照して、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２またはＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度Ｅでエキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜４に向けて照射する。図６を参照して、膜厚Ｔ１＋Ｔ２が５０ｎｍ程度の柱状結晶質シリコン膜７が形成される。柱状結晶質シリコン膜７は、結晶質シリコン膜５の結晶粒径と同程度になるため、２００ｎｍから１μｍほどの大粒径の結晶を有する。なお、図２の結晶質シリコン膜５を形成する工程がレーザアニール法の場合には、実施の形態５の結晶質薄膜の製造装置２００を用い、スループットを高めて柱状結晶質シリコン膜７を形成する事ができる。
【０１３６】
このように構成されたトップゲート型薄膜トランジスタ３００によれば、柱状結晶質シリコン膜７は、結晶粒径が２００ｎｍから１μｍほどの大粒径であるため、キャリア移動度が向上して良好なスイッチング特性を得ることができる。
【０１３７】
（実施の形態７）
この発明の実施の形態７では、トップゲート型薄膜トランジスタが備える柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径が実施の形態６と異なる。この点を除いて、実施の形態７におけるトップゲート型薄膜トランジスタの構成は実施の形態６におけるトップゲート型薄膜トランジスタ３００と同じである。
【０１３８】
実施の形態７におけるトップゲート型薄膜トランジスタが備える柱状結晶質シリコン膜７の形成方法を、図を用いて簡単に説明する。図１を参照して、非晶質シリコン膜２の膜厚Ｔ１を１０ｎｍ程度に設定しておく。図２を参照して、エキシマレーザ３を非晶質シリコン膜２に向けて照射し結晶質シリコン膜５を形成するが、その形成条件を厳密に選ばない。たとえば、エキシマレーザ３に出力変動があって結晶質シリコン膜５が微粒の結晶によって形成されてもよい。また、レーザアニール処理のかわりに熱処理を用いる場合にも、その条件を特に限定しなくてもよい。図３を参照して、非晶質シリコン膜４の膜厚Ｔ２を４０ｎｍ程度に設定しておく。図４を参照して、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２またはＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度Ｅでエキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜４に向けて照射する。図６を参照して、膜厚Ｔ１＋Ｔ２が５０ｎｍ程度の柱状結晶質シリコン膜７が形成される。実施の形態１および２に記載したように、結晶質シリコン膜５の結晶粒径が数１０ｎｍ程度の場合であっても、柱状結晶質シリコン膜７の結晶粒径は平均２００ｎｍ程度となる。
【０１３９】
このように構成されたトップゲート型薄膜トランジスタによれば、実施の形態６に記載した効果に加えて、結晶質シリコン膜５を形成するプロセスマージンを広げて、容易に高性能のトランジスタを製造することができる。なお、この実施の形態７では、結晶質シリコン膜５の結晶粒径を特に選ばないから、レーザアニール法や熱処理法を用いず、結晶質シリコン膜５を、プラズマＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法やスパッタ法などによって基板３０１上に直接形成しても良い。
【０１４０】
（実施の形態８）
この発明の実施の形態８では、実施の形態３または４における結晶質薄膜の形成方法を用いて形成された柱状結晶質シリコン膜を備える光電変換素子について説明する。図５１は、この発明の実施の形態８における光電変換素子を示す断面図である。
【０１４１】
図５１を参照して、光電変換素子４００は、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜などのベースコート膜が表面に形成されたガラス、または石英などからなる基板４０１を備える。基板４０１上に、実施の形態３または４における結晶質薄膜の形成方法を用いて形成された柱状結晶質シリコン膜７５が形成されている。柱状結晶質シリコン膜７５は、膜厚数１０ｎｍで形成されたｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａ、膜厚２μｍから４μｍで形成された真性結晶質シリコン膜４０４ｂおよび膜厚数１０ｎｍで形成されたｐ＋型結晶質シリコン膜４０４ｃによって構成されている。ｐ＋型結晶質シリコン膜４０４ｃ上に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　ＴｉｎＯｘｉｄｅ）などの透明電極４１１が形成されている。透明電極４１１上に、グリッド状に形成された集電電極４１２が複数設けられている。ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａ上に、ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａ側の取出し電極４１３が設けられている。
【０１４２】
この発明の実施の形態８に従った光電変換素子４００は、実施の形態３または４に記載の結晶質薄膜の形成方法によって形成された結晶質薄膜としての柱状結晶質シリコン膜７５を備える。
【０１４３】
続いて光電変換素子４００が備える柱状結晶質シリコン膜７５の形成方法を、図を用いて簡単に説明する。図１を参照して、膜厚Ｔ１を数１０ｎｍ程度としてｎ＋型の非晶質シリコン膜２を形成する。なお、プラズマＣＶＤ法によりｎ＋型の非晶質シリコン膜２を成膜する場合、成膜用ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）、水素（Ｈ２）およびＰＨ３の混合ガス、またはこの混合ガスにさらにヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを添加したガスを用いる。図２を参照して、エキシマレーザ３のエネルギ密度Ｅを厳密に設定して、結晶粒径が最大となる、ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａに相当する結晶質シリコン膜５を形成する。図３を参照して、膜厚Ｔ２を５０ｎｍ程度として真性の非晶質シリコン膜４を形成する。プラズマＣＶＤ法により真性の非晶質シリコン膜４を形成する場合、成膜用ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）および水素（Ｈ２）の混合ガス、またはこの混合ガスにさらにヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを添加したガスを用いる。図４を参照して、Ｅ２≦Ｅ＜Ｅ１２またはＥｃ≦Ｅ≦Ｅｄの関係を満たすエネルギ密度Ｅでエキシマレーザ１０を非晶質シリコン膜４に向けて照射する。図４０を参照して、柱状結晶質シリコン膜７１が形成される。続いて図４１から図４４に示す工程を繰り返して、膜厚が２μｍから４μｍの真性結晶質シリコン膜４０４ｂを形成する。
【０１４４】
さらに真性結晶質シリコン膜４０４ｂ上に、膜厚数１０ｎｍ程度のｐ＋型の非晶質シリコン膜を形成する。なお、プラズマＣＶＤ法によりｐ＋型の非晶質シリコン膜を成膜する場合、成膜用ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）、水素（Ｈ２）およびＢ２Ｈ６の混合ガス、またはこの混合ガスにさらにヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを添加したガスを用いる。ｐ＋型の非晶質シリコン膜に向けて、図４４に示すエキシマレーザ１０を、上記と同様の所定のエネルギ密度で照射し、ｐ＋型結晶質シリコン膜４０４ｃを形成する。以上の工程から、ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａ、真性結晶質シリコン膜４０４ｂおよびｐ＋型結晶質シリコン膜４０４ｃから構成される図４７に示す柱状結晶質シリコン膜７５が形成される。
【０１４５】
柱状結晶質シリコン膜７５は、最下層のｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａの結晶性を引き継ぎいで、２μｍから４μｍほどの膜厚に形成される。また、ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａ、真性結晶質シリコン膜４０４ｂおよびｐ＋型結晶質シリコン膜４０４ｃのそれぞれの境界面または膜内部に、膜厚方向を横切る結晶粒界が発生しない。さらに、ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａの結晶粒径を２００ｎｍ以上に設定しておくことで、柱状結晶質シリコン膜７５の結晶粒径はｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａの結晶粒径と同程度の２００ｎｍ以上となる。
【０１４６】
このように構成された光電変換素子４００によれば、発電層となる真性結晶質シリコン膜４０４ｂは、２μｍから４μｍの膜厚を有するため、光電変換素子４００の上面側から入射する光を十分に吸収することができる。また、膜厚方向を横切る結晶粒界がないため、光吸収によって発生するキャリア（電子および正孔）の拡散長を非常に長くすることができる。つまり、光電変換素子４００の導電方向である縦方向に対し、これを横切る結晶粒界がないため、キャリアは真性結晶質シリコン膜４０４ｂ内で消滅しにくい。したがって、光電変換素子４００を太陽電池として使用した場合に高い光電変換効率を得ることができ、太陽電池の高効率化を図ることができる。なお、この実施の形態８では、成膜とレーザアニールとを交互に繰返すから、実施の形態５の結晶質薄膜の製造装置２００を用いる事が効果的である。この場合、ガス流路２３４に流す成膜用ガスを順次切替えていけば、ｎ＋型結晶質シリコン膜４０４ａ、真性結晶質シリコン膜４０４ｂおよびｐ＋型結晶質シリコン膜４０４ｃの各々に対応する非晶質シリコン膜を、同一の成膜チャンバ２０１で形成することもできる。
【０１４７】
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。
【０１４８】
【発明の効果】
レーザアニール処理時のプロセスマージンを広げて、結晶粒径が大きく膜厚方向を横切る結晶粒界のない高品質で、かつ膜厚が大きい結晶質薄膜を形成する方法、および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の第１工程を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の第２工程を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の第３工程を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の第４工程を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の第５工程を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１における結晶質薄膜の形成方法の第６工程を示す断面図である。
【図７】エネルギ密度Ｅ２およびＥ１２を求める方法を説明するための断面図である。
【図８】エネルギ密度Ｅ２およびＥ１２を求める方法を説明するための別の断面図である。
【図９】エネルギ密度Ｅ２およびＥ１２を求める方法を説明するためのさらに別の断面図である。
【図１０】レーザアニールＡにおいて、エネルギ密度Ｅａのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１１】レーザアニールＡにおいて、エネルギ密度Ｅｂのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１２】レーザアニールＡにおいて、エネルギ密度Ｅｃのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１３】レーザアニールＡにおいて、エネルギ密度Ｅｄのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１４】レーザアニールＡにおいて、エネルギ密度Ｅｅのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１５】レーザアニールＢにおいて、エネルギ密度Ｅａのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１６】レーザアニールＢにおいて、エネルギ密度Ｅｂのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１７】レーザアニールＢにおいて、エネルギ密度Ｅｃのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１８】レーザアニールＢにおいて、エネルギ密度Ｅｄのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図１９】レーザアニールＢにおいて、エネルギ密度Ｅｅのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図２０】レーザアニールＣにおいて、エネルギ密度Ｅａのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図２１】レーザアニールＣにおいて、エネルギ密度Ｅｂのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図２２】レーザアニールＣにおいて、エネルギ密度Ｅｃのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図２３】レーザアニールＣにおいて、エネルギ密度Ｅｄのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図２４】レーザアニールＣにおいて、エネルギ密度Ｅｅのレーザを照射した場合の結晶成長の態様を示す模式図である。
【図２５】レーザアニールＡ、ＢおよびＣにおいて、レーザのエネルギ密度Ｅと結晶粒径との関係を示すグラフである。
【図２６】図２中に示す結晶質シリコン膜５を示す表面ＳＥＭ写真である。
【図２７】具体例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２５７ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。
【図２８】具体例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２９４ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。
【図２９】具体例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。
【図３０】比較例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２５７ｍＪ／ｃｍ２とした場合の結晶質シリコン膜の表面ＳＥＭ写真である。
【図３１】比較例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２９４ｍＪ／ｃｍ２とした場合の結晶質シリコン膜の表面ＳＥＭ写真である。
【図３２】比較例１において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の結晶質シリコン膜の表面ＳＥＭ写真である。
【図３３】図２中に示す結晶質シリコン膜５を示す別の表面ＳＥＭ写真である。
【図３４】具体例２において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２５７ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。
【図３５】具体例２において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを２９４ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。
【図３６】具体例２において、エキシマレーザのエネルギ密度Ｅを３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７の表面ＳＥＭ写真である。
【図３７】レーザのエネルギ密度Ｅとラマン散乱スペクトルのピークの半値幅との関係を示すグラフである。
【図３８】柱状結晶質シリコン膜７のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅と、結晶質シリコン膜５のラマン散乱スペクトルのピークの半値幅との関係を示すグラフである。
【図３９】具体例１において、レーザのエネルギ密度を３４５ｍＪ／ｃｍ２とした場合の柱状結晶質シリコン膜７および結晶質シリコン膜５のＸ線回折を示すグラフである。
【図４０】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第１工程を示す断面図である。
【図４１】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第２工程を示す断面図である。
【図４２】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第３工程を示す断面図である。
【図４３】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第４工程を示す断面図である。
【図４４】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第５工程を示す断面図である。
【図４５】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第６工程を示す断面図である。
【図４６】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第７工程を示す断面図である。
【図４７】この発明の実施の形態３における結晶質薄膜の形成方法の第８工程を示す断面図である。
【図４８】この発明の実施の形態５における結晶質薄膜の製造装置を示す断面図である。
【図４９】図４８中の連通口および放電電極の詳細を示す斜視図である。
【図５０】この発明の実施の形態６におけるトップゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図５１】この発明の実施の形態８における光電変換素子を示す断面図である。
【図５２】特開２００１−７０２４に開示されている多結晶シリコン膜の形成方法の第１工程を示す断面図である。
【図５３】特開２００１−７０２４に開示されている多結晶シリコン膜の形成方法の第２工程を示す断面図である。
【図５４】図５２および図５３に示す多結晶シリコン膜の形成方法による結晶成長の様子を示す断面図である。
【図５５】図５２および図５３に示す多結晶シリコン膜の形成方法による結晶成長の様子を示す別の断面図である。
【符号の説明】
１，２０，３０１，４０１，５０１　基板、２，４，２１，２２，２３，７２，８１，８２　非晶質シリコン膜、３，１０，１５，２３３　エキシマレーザ、５，２４　結晶質シリコン膜、７，７１，７４，７５　柱状結晶質シリコン膜、２００　製造装置、２０１成膜チャンバ、２０２　レーザアニールチャンバ、２０５　基板ホルダ、２０６　移動手段、３００　トップゲート型薄膜トランジスタ、４００　光電変換素子。
【図１】
2004006487.tif 000003
【図２】
2004006487.tif 000004
【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】
2004006487.tif 000009
【図８】
2004006487.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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