(57)【要約】【課題】レーザ光を試料に照射する前に直線偏光にすることなく、レーザ光線を高出力のままで平坦な試料に照射させながら、試料上に結晶粒からなる良好な周期性構造を形成することができない。結晶粒は、特定の方向に周期性を有しておらず、かつ、レーザ光の波長より大きくできない。【解決手段】レーザ光線を平坦な試料５に照射させ、試料５上に結晶粒からなる周期性構造を形成する方法であつて、直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線Ｉ１を、入射角φ＞１度で１つの入射面Ｉ２から試料５に入射させることで、該レーザ光線Ｉ１の入射面Ｉ２に平行な結晶粒界で仕切られて直交間隔Ｄｙをなす周期性構造を形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線を平坦な試料（５）に照射させ、試料（５）上に結晶粒からなる周期性構造を形成する方法であつて、
直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線（Ｉ１）を、入射角（φ）＞１°で１つの入射面（Ｉ２）から試料（５）に入射させることで、該レーザ光線（Ｉ１）の入射面（Ｉ２）に平行な結晶粒界で仕切られて直交間隔（Ｄｙ）をなす周期性構造を形成することを特徴とする結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項２】
前記入射面（Ｉ２）と直交する方向の結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の間隔（Ｄｘ）を、レーザ光線（Ｉ１）の入射角（φ）の大きさによつてコントロールすることを特徴とする請求項１の結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項３】
レーザ光線（Ｉ１）は、紫外線を発生するエキシマレーザであり、レーザ光線（Ｉ１）を照射する試料（５）は、ａ−Ｓｉ膜であり、ａ−Ｓｉ膜は、レーザ光線（Ｉ１）の複数回の照射により再結晶化し、結晶粒はレーザ光線（Ｉ１）の定在波により発生した熱強度分布に従つて形成されることを特徴とする請求項１又は２の結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項４】
前記試料（５）は薄膜トランジスターであり、前記入射面（Ｉ２）と直交する方向の結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘが、薄膜トランジスターのソース・ドレイン（Ｈ５）の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｘ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレイン（Ｈ５）の辺（Ｈ２）と結晶粒界（Ｈ４）とのなす角度となるように、レーザ光線（Ｉ１）の入射角（φ）を調整することを特徴とする請求項１，２又は３の結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項５】
前記試料（５）は薄膜トランジスターであり、結晶の周期性の直交間隔Ｄｙが、薄膜トランジスターのソース・ドレイン（Ｈ５）の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｙ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレイン（Ｈ５）の辺（Ｈ２）と結晶粒界（Ｈ４）とのなす角度となるように、レーザ光線（Ｉ１）の波長（λ）を調整することを特徴とする請求項１，２又は３の結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項６】
形成した結晶の周期性構造を、試料（５）の入射面（Ｉ２）又は入射面（Ｉ２）と直交する方向の直交入射面（Ｉ５）に対して直交する入射面（Ｉ５又はＩ２）より計測装置の平行光からなる光束（３１）を入射して計測し、計測装置の回折光（３２）のスペクトルのピーク強度（Ｉｍａｘ）が所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線（Ｉ１）の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の分布の規則性を良好にすると共に、
前記計測装置が、前記レーザ光線（Ｉ１）により結晶化した試料（５）の表面に、試料（５）平面からの法線（ｚｎ）と計測用入射角（α）をなす平行光からなる光束（３１）を入射させる光源（４１，４２）と、この光束（３１）による試料（５）の表面からの回折光（３２）を、前記法線（ｚｎ）と回折角（β）をなす位置で受光してスペクトルを示す分光器（４６）とを備えるものを用い、
計測用入射角（α）及び回折角（β）の範囲は、共に０°以上で９０°以下の範囲に限定して正反射光（３５）を含まない回折光（３２）を得、回折光（３２）のスペクトルのピーク強度（Ｉｍａｘ）から、試料（５）における結晶粒の分布の規則性を評価することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項７】
直線偏光でない１つのレーザ光線（Ｉ１）、
レーザ光線Ｉ１を整形するホモジナイザー（Ａ１，Ａ２）、
平行光線からなる該レーザ光線（Ｉ１）をホモジナイザー（Ａ１，Ａ２）を通して入射角（φ）を与えて１つの入射面（Ｉ２）から試料（５）に照射し、かつ、入射角（φ）を１度以上とする光学系手段（Ｃ４，Ｃ８）、
及び試料（５）を載せて駆動装置によつて駆動される試料台（Ｃ８）を有し、
試料台（Ｃ８）を移動させながら試料（５）に結晶の周期性構造を形成することを特徴とする結晶の周期性構造の形成装置。
【請求項８】
レーザ光線（Ｉ１）は、紫外線を発生するエキシマレーザであり、前記試料（５）は、ａ−Ｓｉ膜（５ａ）であり、該ａ−Ｓｉ膜（５ａ）は、前記レーザ光線（Ｉ１）の複数回の照射により再結晶化してｐ−Ｓｉ膜（５ｂ）となり、ｐ−Ｓｉ膜（５ｂ）の結晶粒はレーザ光線（Ｉ１）の定在波により発生した熱強度分布に従つて形成されていることを特徴とする請求項７の結晶の周期性構造の形成装置。
【請求項９】
前記入射面（Ｉ２）と直交する方向の結晶粒界（Ｈ４）で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘが、薄膜トランジスターのソース・ドレイン（Ｈ５）の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｘ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレイン（Ｈ５）の辺（Ｈ２）と結晶粒界（Ｈ４）とのなす角度となるように、レーザ光線（Ｉ１）の入射角（φ）の大きさを調整することを特徴とする請求項８の結晶の周期性構造の形成装置。
【請求項１０】
前記入射面（Ｉ２）と平行な結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の直交間隔Ｄｙが、薄膜トランジスターのソース・ドレイン（Ｈ５）の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｙ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレイン（Ｈ５）の辺（Ｈ２）と結晶粒界（Ｈ４）とのなす角度となるように、レーザ光線（Ｉ１）の波長（λ）を調整することを特徴とする請求項８の結晶の周期性構造の形成方法。
【請求項１１】
形成した結晶の周期性構造を、試料（５）の入射面（Ｉ２）又は入射面（Ｉ２）と直交する方向の直交入射面（Ｉ５）に対して直交する入射面（Ｉ５又はＩ２）より計測装置の平行光からなる光束（３１）を入射して計測し、計測装置の回折光（３２）のスペクトルのピーク強度（Ｉｍａｘ）が所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線（Ｉ１）の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の分布の規則性を良好にすると共に、
前記計測装置が、前記レーザ光線（Ｉ１）により結晶化した試料（５）の表面に、試料（５）平面からの法線（ｚｎ）と計測用入射角（α）をなす平行光からなる光束（３１）を入射させる光源（４１，４２）と、この光束（３１）による試料（５）の表面からの回折光（３２）を、前記法線（ｚｎ）と回折角（β）をなす位置で受光してスペクトルを示す分光器（４６）とを備えるものを用い、
計測用入射角（α）及び回折角（β）の範囲は、共に０°以上で９０°以下の範囲に限定して正反射光（３５）を含まない回折光（３２）を得、回折光（３２）のスペクトルのピーク強度（Ｉｍａｘ）から、試料（５）における結晶粒の分布の規則性を評価することを特徴とする請求項７，８，９又は１０の結晶の周期性構造の形成装置。
【請求項１２】
レーザ光線（Ｉ１）を平坦な試料（５）に照射させて試料（５）上に形成する周期性構造をなす結晶の結晶粒界が、対向する２辺が平行をなすことを特徴とする結晶の周期性構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶の周期性構造の形成方法及びその装置並びに結晶の周期性構造に関し、詳しくは、液晶表示装置などに用いられる多結晶半導体膜において、試料上に結晶粒からなる周期性構造を形成する方法及びその装置並びに結晶の周期性構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１．ラインビームによる結晶化
例えば、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスターの結晶化シリコンの製造に際し、ラインビームからなるレーザ光を試料に照射する方法が知られている。これは、図１８に示すように、パルス・レーザからなるエキシマレーザ光を発生させるレーザ発振器３ａで生じさせたレーザ光２を、光学系容器９内に導き、アッテネータ７を通した後に反射ミラー３ｂで方向転換させ、長軸ホモジナイザーＡ１及び長軸ホモジナイザーＡ１と稜線方向が直交する短軸ホモジナイザーＡ２並びに反射ミラー３ｃを通し、更に投影レンズ１１を通し、長軸×短軸が約２００×０．４ｍｍの方形のラインビームからなるレーザ光線Ｉ１に整形して強度分布を矩形状に均一化させ、このレーザ光線Ｉ１を試料５に照射している。長軸ホモジナイザーＡ１及び短軸ホモジナイザーＡ２は、図１９に示すように複数本のシリンドリカル・レンズＡ３を稜線Ａ４が平行になるように並べて構成されている。図１８に示す符号１０はレーザ光線Ｉ１の光軸である。試料５は、レーザアニール装置の真空又は窒素の照射室内に設置されている。
【０００３】
この場合の試料５は、ガラス基板６の上側に薄いａ−Ｓｉ（アモルファス・シリコン）膜５ａを形成したもので、このａ−Ｓｉ膜５ａに、レーザ光線Ｉ１を照射することで、ａ−Ｓｉ膜５ａを結晶化して薄いｐ−Ｓｉ（ポリ・シリコン）膜５ｂとしている。ガラス基板６は大きいもので７３０×９２０ｍｍあり、ガラス基板６上のａ−Ｓｉ膜５ａの全面を結晶化するために、レーザ光線Ｉ１の１ショットあたり、ラインビーム短軸幅の５〜１０％の送りピッチでガラス基板６をレーザ光線Ｉ１の短軸の方向に間欠的に移動させる。試料５は、試料台５Ａに載置され、試料台５Ａが図外の駆動装置によつて直交するＸＹ方向に適宜に間欠的に駆動される。短軸幅０．４ｍｍのとき送りピッチは２０〜４０μｍであり、試料５の１  箇所当たりのレーザ光の照射回数は通常１０〜２０回である。
【０００４】
ここで、レーザ光２のパルス幅（発光時間）は一般に数〜数十ｎｓ、発振周波数は数百Ｈｚ以下であるため、レーザ光線Ｉ１の試料５への照射が数〜数十ｎｓ行われた後、数ｍｓの比較的長時間の間隔が開いて、再び数〜数十ｎｓの照射が行われている。試料５への複数回の照射を行うことで、結晶が成長する。この結晶の成長は、１  回目の照射で発生した結晶粒が、２  回目以降の照射により結合して大きくなるものと考えられている。この結晶の成長のためには、試料５が冷却（常温）の状態から溶融温度近傍まで上昇するように、レーザ光２の照射を実施する必要がある。ラインビーム化するのは、ラインビーム端部と平坦部の結晶性が異なるためで、ラインビーム端部は液晶表示装置のトランジスターとして使われていない。
【０００５】
このような方法で製造したｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶性は、レーザ光２のエネルギー密度に大きく依存し、エネルギー密度が低すぎても、高すぎても良好に得られない。そして、最適なエネルギー密度で製造すると、図１７に示すｐ−Ｓｉ膜５ｂのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真のように、おおよそレーザ光２の波長（λ＝３０８ｎｍ）に等しい大きさの結晶粒が得られる。ここで、図１７のφ（φ＝０°）は、光軸１０の試料５への入射角で、光軸１０と試料５の法線とのなす角度（０°）である。
【０００６】
レーザ光２の波長の大きさに等しい結晶粒が得られる原因は、特開平１０−２５６１５２に記載されているように、レーザ光２の照射で半導体膜が融解・再結晶化した後に形成される表面荒れが、光散乱（光分割）の起点となるためと考えられている。この表面荒れは、基本的には固液状態での密度変化に起因するもので、固化が横方向に進み結晶粒が成長したときの固化の終点（粒界部）に凹凸が形成される現象として定性的に理解される。そして、この半導体膜の荒れた表面にレーザ光を再び照射すると、この凹凸部で散乱された散乱光同士が干渉し、膜表面に定在波を形成するのである。従つて、多重回照射では、この過程を繰り返す中で最終的に特定の周期の凹凸パターンが半導体膜の表面に形成される（Ｊ．Ｓｉｐｅ，Ｊ．Ｆ．Ｙｏｕｎｇ，  Ｊ．Ｓ．Ｐｅｒｓｔｏｎ，  ａｎｄ  Ｈ．Ｍ．ｖａｎ  Ｄｒｉｅｌ，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２７，  １１４１，１１５５，２００１（１９８３））。
【０００７】
２．直線偏光による周期性のある結晶の形成
直線偏光のレーザ光をａ−Ｓｉ膜に斜入射することで、レーザ光の波長より大きい結晶粒を形成することが試みられている（Ｈｏｒｉｔａ，“Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｏｆ  ｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ  ｉｎ  ａ  Ｓｉ  ｆｉｌｍ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｄ  ｂｙ  ａ  ｌｉｎｅａｒｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｏｎａ  ｇｌａｓｓ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，  ＡＰＬ，  ９  Ａｐｒｉｌ  ２００１）  。この方法によれば、入射する平面波と、反射した平面波との干渉によつて、入射面に垂直な方向の周期構造が、入射角：φのとき、Ｄ＝λ／（１−ｓｉｎφ）の間隔で形成できるとしている。
【０００８】
３．二光束干渉による周期性のある結晶の形成
結晶を大粒径化し周期性をもたせる手段としては、特開平１０−２５６１５２に記載されているように、２つのレーザ光を、ａ−Ｓｉ膜の表面の所定位置に定在波が形成するような入射角度で前後から照射し、前記所定位置に該定在波と同周期の熱密度分布を発生させ融解を行う方法がある。この方法は、レーザ光をａ−Ｓｉ膜の表面で干渉させることにより定在波を形成する。そして、その定在波の周期は、レーザ光の波長をλ’、入射角をθ’とすれば、λ’／（２ｓｉｎθ’）となる。従つて、一定のレーザ光の波長に対して、入射角を調整することにより、定在波の周期、つまり半導体表面に形成される熱密度分布の周期を高精度に制御することができるとしている。この方法は、例えば、特開平１０−３９１２５にある二光束干渉法であつて、回折格子の製造等に使われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
１．ラインビームによる結晶化の課題
従来のエキシマレーザ光を使つたラインビーム法により作製した結晶の大きさは、レーザ光の波長にほぼ等しく、波長より大きい結晶を均一に作製することはできなかつた。また、結晶粒は、図１７から分かるように特定の方向に周期性を有していなかつた。
【００１０】
２．直線偏光による周期性のある結晶形成の課題
ａ−Ｓｉ膜への吸収力が高い紫外領域の光を発し、高出力のパルス光が得られるレーザとして、エキシマレーザが使われている。エキシマレーザ光は、特定の偏光を持たないランダム偏光である。エキシマレーザ光を直線偏光にするためには偏光板などを使う必要があるため、出力が著しく低下する。このため、直線偏光でないレーザ光線を試料に照射させて、試料に結晶の周期性構造を形成することが望まれる。
【００１１】
３．二光束干渉による周期性のある結晶形成の課題
１つの入射面からの２つのレーザ光を、ａ−Ｓｉ膜の表面の所定位置に定在波が形成するような入射角度で前後から照射しなければならず、光学系の構成が複雑になる。特に、１つの入射面から２つのレーザ光を入射させ、定在波の周期を、レーザ光の波長をλ’、入射角をθ’として、λ’／（２ｓｉｎθ’）とするので、波長：λ’より大きな定在波の周期を得るための入射角θ’に制限を受けるのみならず、構造が複雑になる。また、例えば、エキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）を使つて、二光束干渉により１μｍの大きさの結晶粒を形成する場合、二光線の入射角θ’＝ａｒｃｓｉｎ（λ’／２・１μｍ）＝８．９°で開口数ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ’＝ｎ・０．１５４となる。このとき、焦点深度ＤＯＦ＝Ｋ・λ／ＮＡ２  ＝Ｋ’・１３μｍである。前記のラインビームを使つた図１８の装置は、投影レンズ３によるＮＡ＝０．０５で、ＤＯＦ＝Ｋ’・９５μｍであるため、二光束干渉を使うと図１８の装置に比べ焦点深度が狭くなり、光学系と試料台との位置関係の精度が要求され、装置構成が複雑で高価になる。
【００１２】
４．ｐ−Ｓｉ膜を薄膜トランジスター（以下「ＴＦＴ」という。）に使用する場合、ＴＦＴ特性はソース・ドレイン間の結晶粒界の数に依存し、粒界数が少ないほど電気的特性がよい。従つて、ガラス基板全体のＴＦＴ特性を均一にするためには、結晶粒が大きく均一であることが望ましい。また、結晶の周期性の方向が分かつていれば、ソース・ドレイン間の結晶粒界数が少なくなるように、ソース・ドレインを配置することが可能となる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、レーザ光線を平坦な試料５に照射させ、試料５上に結晶粒からなる周期性構造を形成する方法であつて、
直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線Ｉ１を、入射角φ＞１°で１つの入射面Ｉ２から試料５に入射させることで、該レーザ光線Ｉ１の入射面Ｉ２に平行な結晶粒界で仕切られて直交間隔Ｄｙをなす周期性構造を形成することを特徴とする結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項２の発明は、前記入射面Ｉ２と直交する方向の結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘを、レーザ光線Ｉ１の入射角φの大きさによつてコントロールすることを特徴とする請求項１の結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項３の発明は、レーザ光線Ｉ１は、紫外線を発生するエキシマレーザであり、レーザ光線Ｉ１を照射する試料５は、ａ−Ｓｉ膜であり、ａ−Ｓｉ膜は、レーザ光線Ｉ１の複数回の照射により再結晶化し、結晶粒はレーザ光線Ｉ１の定在波により発生した熱強度分布に従つて形成されることを特徴とする請求項１又は２の結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項４の発明は、前記試料５は薄膜トランジスターであり、前記入射面Ｉ２と直交する方向の結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘが、薄膜トランジスターのソース・ドレインＨ５の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｘ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレインＨ５の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４とのなす角度となるように、レーザ光線Ｉ１の入射角φを調整することを特徴とする請求項１，２又は３の結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項５の発明は、前記試料５は薄膜トランジスターであり、結晶の周期性の直交間隔Ｄｙが、薄膜トランジスターのソース・ドレインＨ５の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｙ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレインＨ５の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４とのなす角度となるように、レーザ光線Ｉ１の波長λを調整することを特徴とする請求項１，２又は３の結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項６の発明は、形成した結晶の周期性構造を、試料５の入射面Ｉ２又は入射面Ｉ２と直交する方向の直交入射面Ｉ５に対して直交する入射面（Ｉ５又はＩ２）より計測装置の平行光からなる光束３１を入射して計測し、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線Ｉ１の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の分布の規則性を良好にすると共に、
前記計測装置が、前記レーザ光線Ｉ１により結晶化した試料５の表面に、試料５平面からの法線ｚｎと計測用入射角αをなす平行光からなる光束３１を入射させる光源４１，４２と、この光束３１による試料５の表面からの回折光３２を、前記法線ｚｎと回折角βをなす位置で受光してスペクトルを示す分光器４６とを備えるものを用い、
計測用入射角α及び回折角βの範囲は、共に０°以上で９０°以下の範囲に限定して正反射光３５を含まない回折光３２を得、回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘから、試料５における結晶粒の分布の規則性を評価することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項７の発明は、直線偏光でない１つのレーザ光線Ｉ１、
レーザ光線Ｉ１を整形するホモジナイザーＡ１，Ａ２、
平行光線からなる該レーザ光線Ｉ１をホモジナイザーＡ１，Ａ２を通して入射角φを与えて１つの入射面Ｉ２から試料５に照射し、かつ、入射角φを１度以上とする光学系手段（Ｃ４，Ｃ８）、
及び試料５を載せて駆動装置によつて駆動される試料台Ｃ８を有し、
試料台Ｃ８を移動させながら試料５に結晶の周期性構造を形成することを特徴とする結晶の周期性構造の形成装置である。
請求項８の発明は、レーザ光線Ｉ１は、紫外線を発生するエキシマレーザであり、前記試料５は、ａ−Ｓｉ膜５ａであり、該ａ−Ｓｉ膜５ａは、前記レーザ光線Ｉ１の複数回の照射により再結晶化してｐ−Ｓｉ膜５ｂとなり、ｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶粒はレーザ光線Ｉ１の定在波により発生した熱強度分布に従つて形成されていることを特徴とする請求項７の結晶の周期性構造の形成装置である。
請求項９の発明は、前記入射面Ｉ２と直交する方向の結晶粒界Ｈ４で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘが、薄膜トランジスターのソース・ドレインＨ５の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｘ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレインＨ５の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４とのなす角度となるように、レーザ光線Ｉ１の入射角φの大きさを調整することを特徴とする請求項８の結晶の周期性構造の形成装置である。
請求項１０の発明は、前記入射面Ｉ２と平行な結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の直交間隔Ｄｙが、薄膜トランジスターのソース・ドレインＨ５の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｙ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレインＨ５の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４とのなす角度となるように、レーザ光線Ｉ１の波長λを調整することを特徴とする請求項８の結晶の周期性構造の形成方法である。
請求項１１の発明は、形成した結晶の周期性構造を、試料５の入射面Ｉ２又は入射面Ｉ２と直交する方向の直交入射面Ｉ５に対して直交する入射面（Ｉ５又はＩ２）より計測装置の平行光からなる光束３１を入射して計測し、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線Ｉ１の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の分布の規則性を良好にすると共に、
前記計測装置が、前記レーザ光線Ｉ１により結晶化した試料５の表面に、試料５平面からの法線ｚｎと計測用入射角αをなす平行光からなる光束３１を入射させる光源４１，４２と、この光束３１による試料５の表面からの回折光３２を、前記法線ｚｎと回折角βをなす位置で受光してスペクトルを示す分光器４６とを備えるものを用い、
計測用入射角α及び回折角βの範囲は、共に０°以上で９０°以下の範囲に限定して正反射光３５を含まない回折光３２を得、回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘから、試料５における結晶粒の分布の規則性を評価することを特徴とする請求項７，８，９又は１０の結晶の周期性構造の形成装置である。
請求項１２の発明は、レーザ光線Ｉ１を平坦な試料５に照射させて試料５上に形成する周期性構造をなす結晶の結晶粒界が、対向する２辺が平行をなすことを特徴とする結晶の周期性構造である。
【００１４】
本発明の概要について説明する。
本発明者等は、図１８に示す装置を使用し、ラインビームからなるレーザ光線Ｉ１の短軸方向のａ−Ｓｉ膜５ａへの入射角（φ）が５°となるようにミラー３ｃ及び投影レンズ１１を図１８（ａ）に示す状態から傾けたところ、図１６に示すような矩形で周期性のある結晶が得られた。
【００１５】
このような結晶の周期性が発生する原因を究明するため調査を行つたところ、この周期性構造は入射波と反射波との干渉により発生するもので、特定の方向に偏光していないレーザ光線Ｉ１が平坦な試料５で反射すると、反射光は試料５表面の凹凸で発生した球面波で、その電場強度分布は入射光（Ｉ１）の入射面に垂直な方向で強い（平井，レーザ技術，Ｐ１８５  など）ためであるとすれば説明できることを見いだした。この知見を基に、特定の偏光を持たないレーザ光（例えばエキシマレーザ）を、試料５のａ−Ｓｉ膜に後述する条件で照射することで、結晶の周期性及び結晶粒径をコントロールする方法を発明するに至つた。なお、エキシマレーザは、ａ−Ｓｉ膜５ａに照射するとき、ａ−Ｓｉ膜５ａへの吸収力が高い紫外領域の光を発し、高出力のパルス光が得られるレーザとして一般に使われている。
【００１６】
図８を参照して本発明について更に説明する。
（１）  図８（ａ）に示すように一つの直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線Ｉ１を、入射角φ＞１°で平坦な試料５に１つの入射面Ｉ２から入射することで、図８（ｃ）に示すようにＸ方向に伸びる入射面Ｉ２と平行な結晶粒界で仕切られた周期構造Ｉ３が明瞭に得られる。
【００１７】
（２）  結晶の周期構造Ｉ３の結晶粒界による直交間隔Ｄｙは、Ｙ方向に存在し、入射面Ｉ２から入射させるレーザ光線Ｉ１の波長λに一致する。結晶の周期構造Ｉ３の前記間隔Ｄｙと直交方向の周期構造Ｉ９の間隔Ｄｘ、つまり入射面Ｉ２に直交するＹ方向に存在する直交入射面Ｉ５と平行な結晶粒界による間隔Ｄｘは、図８（ｂ）に示すｓとして得られ、入射面Ｉ２から入射させるレーザ光線Ｉ１の入射角φによつてコントロールできる。図８（ａ）（ｂ）においてＮは、レーザ光線Ｉ１の光軸が入射する試料５の表面Ｉ７に立てた垂直線である。
【００１８】
（３）  φ＞１°に設定することで、反射波のＹ方向の電場強度Ｅが高くなり、Ｘ軸，Ｙ軸の二方向に周期性を持つた結晶を形成することができる。このとき、周期性構造の１つの結晶の結晶粒界は、対向する２辺が平行をなす矩形を形成している。周期構造Ｉ３の平行が強く明確に得られ、周期構造Ｉ９の平行が弱く得られる。
【００１９】
（４）  レーザ光線Ｉ１の照射による結晶の周期性の間隔Ｄｘは、Ｄｘ＝λ／（１−ｓｉｎφ）であつた。この周期性の間隔Ｄｘは、結晶粒の大きさに相当し、０°＜φ＞９０°の範囲に設定することにより、照射するレーザ光線Ｉ１の波長λより大きくなる。
【００２０】
（５）  図１８の装置によるレーザ光２を、互いに直交するシリンドリカル・レンズＡ３から構成されるホモジナイザーＡ１，Ａ２に透過させ、図８（ａ）に示すように試料５の移動方向であるＸ方向に沿うレーザ光線Ｉ１を入射角φで入射すれば、φ＞１°に設定し、入射角φの大きさを調整・変更することで、図８（ｄ）に示す平行な周期構造Ｉ９の間隔Ｄｘはφと共に大きくなる。
【００２１】
（６）  実際に使用した直線偏光でないレーザ光線Ｉ１は、波長：λ＝３０８ｎｍの光を発生するエキシマレーザで、レーザ光線Ｉ１を照射した試料５はａ−Ｓｉ膜５ａで、ａ−Ｓｉ膜５ａは、レーザ光線Ｉ１の複数回の照射により溶融・再結晶化してｐ−Ｓｉ膜５ｂとなり、ｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶粒はレーザ光線Ｉ１の定在波により発生した熱強度分布に従つて形成される。
【００２２】
結晶粒の周期性の間隔Ｄｘ，Ｄｙは、レーザ光線Ｉ１の複数回の照射による再結晶化によつて結晶が十分に成長すれば、結晶粒の大きさに一致する。
【００２３】
なお、本発明方法及び装置は、ａ−Ｓｉ膜の結晶化に最適であるが、半導体レーザ等に使われる回折格子の形成にも適用することができ、レーザ光を照射する試料の種類は限定されない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施の形態について、従来例と同一機能部分には同一符号を付して説明する。
先ず、図１８に示すレーザ発振器３ａで生じさせたレーザ光２を矩形のラインビームに整形し、このレーザ光Ｉ１を図１に示す光学系の素子に導き、直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線Ｉ１として試料５に照射した。図１に示す光学系の素子は、第１のミラーＣ１、アッテネータＣ３、第２のミラーＣ２、第３のミラーＣ４のように設置し、試料５のＳｉ膜５ａ，５ｂへの入射角φを調整できる試料台Ｃ８に試料５を載置して、各入射角φ＝０，１，２，３，４，５°で、試料５のａ−Ｓｉ膜５ａにエネルギー密度を変えてレーザ光線Ｉ１を照射し、結晶化したｐ−Ｓｉ膜５ｂを得た。入射角φを調整できる試料台Ｃ８は、入射角φを１度以上とする光学系手段を構成している。なお、第３のミラーＣ４を角度調節可能に設置しても入射角φを調整でき、この場合には第３のミラーＣ４が入射角φを１度以上とする光学系手段を構成する。試料５を載せる試料台Ｃ８は、レーザ光線Ｉ１のパルスに合わせて駆動装置（図示せず）によつてＸ方向に間欠的に往復駆動させ、Ｘ方向への一連の移動及び照射を終えた後、Ｙ方向に間欠的に駆動させ、次のＸ方向への一連の移動を行つた。Ｃ９は、レーザアニール装置の真空又は窒素の照射室を示す。
【００２５】
このようにして結晶化したｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶粒を図１３に示す計測装置によつて計測し、レーザ光線Ｉ１の定在波により発生した熱強度分布に従つて形成されることを確認した。
【００２６】
レーザ光線Ｉ１の照射によつて結晶化したｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶粒の周期性を評価するための結晶の計測装置（評価装置）について説明する。結晶粒の周期性の評価は、本出願人に係る特許出願（特願２００２−１１８１１７）に記載される結晶評価方法・装置を用いた。この結晶評価方法は、図１２に示すように、レーザ光２により結晶化したｐ−Ｓｉ膜５ｂの表面に、ｐ−Ｓｉ膜５ｂ平面からの法線ｚｎと計測用入射角αをなす平行光からなる光束３１を入射させ、この光束３１によるｐ−Ｓｉ膜５ｂの表面からの回折光３２を、前記法線ｚｎと回折角βをなす位置で検出するものである。この計測用入射角α及び回折角βの範囲を、共に０°以上９０°以下に限定して正反射光３５を含まない回折光３２を得、回折光３２のスペクトル強度から、ｐ−Ｓｉ膜５ｂにおける結晶粒の分布の規則性を評価する。また、回折光３２のスペクトルのピークを示す波長νｍａｘを測定し、結晶粒の大きさＤｘを後記するように算出することができる。
【００２７】
回折光３２の検出を正反射光３５の方向（反射角：−α）もしくはその近傍で行うと、回折光３２のスペクトル強度に比べて正反射光３５のスペクトル強度の方が非常に高いため、重畳した二つのスペクトル成分から回折光３２のスペクトル成分のみを分離することは困難である。そこで、回折光３２のスペクトルのみを精度良く検出するために、α及びβを共に０  °以上９０°以下に限定し、正反射光３５を含まない回折光３２を得るようにする。突起３８で囲まれた平坦部３９で、反射の法則に従う角度方向（−α）に正反射光３５が進む。
【００２８】
従つて、図１２に示す正面視で、計測用入射角αで平行光からなる光束３１を入射させるとき、ｐ−Ｓｉ膜５ｂの平面からの法線ｚｎに対し、光束３１と同一側で回折光３２を計測する。このｐ−Ｓｉ膜５ｂは、結晶粒形成直後のものであり、エッチングは施していない。なお、光束３１及び回折光３２の大きさは、結晶粒の面積の１万倍以上はある。
【００２９】
このようにして、スペクトルが連続である光束３１を入射し、ｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶粒界にあるいくつかの突起３８（数十ｎｍ）で発生した回折光３２を計測し、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光の照射エネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ２）を設定し、ｐ−Ｓｉ膜５ｂにおける結晶粒の配列・分布の規則性を良好になし得る。スペクトルの同一波長に現れる強度の大きさから結晶粒の配列・分布の規則性の有無が分かるので、特に、結晶の周期性構造を形成した直後に、入射面Ｉ２又は入射面Ｉ５に直交する入射面（Ｉ５又はＩ２）より計測装置の平行光からなる光束３１を入射することで、周期性構造を計測し、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが所定の大きさ以上になるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線Ｉ１の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の配列・分布の規則性を良好になしながら、その後の周期性構造を形成することができる。回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘを含む強度は、後記する表示装置４７によつて知ることができる。
【００３０】
すなわち、予め、レーザ光（２）の使用できる照射エネルギー密度範囲内で、結晶化に最適な回折光３２のスペクトル強度（ピーク強度Ｉｍａｘ）及び波長を決定しておけば、結晶化Ｓｉ膜５ｂの形成直後、常に回折光３２のスペクトル強度及び波長を監視し、スペクトル強度及び波長を一定に保つようにレーザ光（２）のエネルギー密度を制御することにより、結晶粒配列の規則性を一定範囲に保つて結晶化Ｓｉ膜５ｂを作製することができる。回折光３２のスペクトル強度及び波長が変化する原因としては、レーザ発振器３ａやホモジナイザーＡ１，Ａ２、反射ミラー３ｂ，３ｃ等及び集光レンズ１１からなる光学系の特性が変化した場合がある。
【００３１】
また、結晶粒の大きさＤｘを求め、結晶粒の大きさＤｘを一定範囲に保ちながら結晶化Ｓｉ膜５ｂを作製することもできる。すなわち、計測用入射角α、回折角β及び回折光３２のスペクトル波長νは既知の値となり、回折条件式：Ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｎ・ν（ｎは回折光の次数）より導かれるＤ＝ｎ・ν／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）なる式によつて、結晶粒３４の大きさＤｘを瞬時に算出することができる。これにより、ｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶粒の配列・分布の規則性の優劣及び結晶粒の大きさＤの適否を短時間で評価し、規則性のある結晶粒３４を形成し、ＴＦＴ等に最適な大きさＤのｐ−Ｓｉ膜５ｂを得ることができる。このスペクトル波長νは、結晶化後の試料５に光束３１を入射して得られる回折光３２のスペクトルで鋭いピークを示す波長νｍａｘであり、例えばａ−Ｓｉ膜５ａに光束３１を入射した場合と比較して、ｐ−Ｓｉ膜５ｂに光束３１を入射したときの回折光３２のスペクトルの中で、その強度に明確な鋭いピークを示す波長νｍａｘである。
【００３２】
従つて、結晶の周期性構造を評価するための計測装置は、図１３に示すように、レーザ光２により結晶化したｐ−Ｓｉ膜５ｂの表面に、ｐ−Ｓｉ膜５ｂ平面からの法線ｚｎと計測用入射角αをなす光束３１を入射させる光源（４１，４２）と、この光束３１によるｐ−Ｓｉ膜５ｂの表面からの回折光３２を、前記法線ｚｎと回折角βをなす位置で受光すると共にスペクトルを示す分光器４６とを備える。
【００３３】
光源（４１，４２）は、図１３に示すようにハロゲンランプによつて得られる連続光４１と照射用光ファイバー４２とを有し、所定波長（ν＝３８０〜８００ｎｍ）の連続光４１が照射用光ファイバー４２に導かれ、光ファイバー４２の先端から出る光がレンズ４４によつて光束３１とされ、ｐ−Ｓｉ膜５ｂに計測用入射角αにて入射し、Ｓｉ膜５ｂ上で回折角βにて回折した平行光からなる回折光３２を生ずる。この回折光３２がレンズ４４によつて集束され、受光用光ファイバー４５に導かれて分光器４６に入るので、表示装置４７にスペクトルを表示させ、最大のピーク強度Ｉｍａｘが得られる波長（νｍａｘ）を知ることができる。
【００３４】
なお、照射用光ファイバー４２からｕ＝０．２ｍｍだけ平行に離れた位置にある受光用光ファイバー４５に角度２δで回折光３２を入射させたが、ｕはｖ（レンズ４４とｐ−Ｓｉ膜５ｂとの距離９５ｍｍ）に比べて充分に小さい（０．２／９５＝０．００２＝２ｍｒａｄ）ので無視できるものである。
【００３５】
また、ｐ−Ｓｉ膜５ｂにおいては、結晶粒の配列・分布の規則性が方向により異なる。このため、図１４に示すように、光束３１のｐ−Ｓｉ膜５ｂへの入射位置（図１４のＯ位置付近）と計測用入射角αとを固定した状態で、ｐ−Ｓｉ膜５ｂのＹ方向に対する入射角θ（入射方向）を相対変化させ、複数の変化位置における回折光３２のスペクトル強度及び波長の変化を調べることにより、結晶粒の配列方向を知ることができる。回折光３２のスペクトル強度及び波長の変化を調べることにより、各方向での結晶粒３４の規則性のみならず大きさＤを知ることもできる。結晶粒の大きさＤは、突起３８で囲まれた１つの平坦部３９の大きさである。
【００３６】
実際に、レーザ光線Ｉ１を照射して結晶化したｐ−Ｓｉ膜５ｂについて、上記結晶の計測装置により、入射方向θ（入射角）を０°〜３６０°の範囲で変えてスペクトルの最大強度Ｉｍａｘと、Ｉｍａｘが得られる波長νｍａｘとを計測した。図２に入射角φ＝０，１，２，３，４，５°におけるスペクトルの強度の入射方向θ依存性を示し、図３にスペクトルの最大強度Ｉｍａｘが得られる波長νｍａｘの入射方向θ依存性を示す。入射方向θは、結晶の計測装置の光束３１の方向で、結晶化後の試料５表面に平行でスキャン方向（試料台Ｃ８の移動方向Ｘ）と直交するＹ方向をθ＝０°とした。
【００３７】
ここで、角度θ、α、φは、次の通りである。
θ：図１４に示すように、結晶の計測装置の光束３１の試料５面（反射面）内のＹ方向に対する入射方向の角度
α：結晶の計測装置の光束３１の計測用入射角
φ：結晶化するためのレーザ光線Ｉ１（ラインビーム）の入射角であり、試料５面（反射面）に対して垂直な入射面Ｉ２に存在する
【００３８】
図２に示すように、φ＝０°として結晶化させた場合は、光束３１の入射方向θの如何によらずほぼ一定であり、結晶粒界が異方性を有していない。一方、φ＝１〜５°として結晶化させた場合は、スペクトル強度は入射方向θ＝０°、１８０°で最も大きく（スペクトルの最大強度Ｉｍａｘ）、入射方向θ＝９０°、２７０°でも若干大きかつた。これは、等間隔で明確に生じている結晶粒界に光束３１を照射するときに、多くの回折光３２が明確かつ均質に生ずるためである。
【００３９】
スペクトル最大強度が得られる波長は、図３に示すようであり、θ＝９０°、２７０°で最大となり、φが大きくなると波長は長くなつた。ここで、結晶粒の大きさＤは、Ｄ＝νｍａｘ／２・ｓｉｎαから計算し、φとＤとの関係を求めた。この式は、回折条件式から導かれる上記式：Ｄ＝ｎ・νｍａｘ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）において、β＝αとし、かつ、後記するようにｎ＝１としたものである。その結果を図４（イ）（ロ）に黒丸印で示す。図４（イ）は、結晶化するためのレーザ光線Ｉ１の入射角φ＝０〜５度の範囲で示し、図４（ロ）は、結晶化するためのレーザ光線Ｉ１の入射角φ＝０〜５０度の範囲で示す。但し、今回は、結晶の計測装置の光束３１の計測用入射角α＝５０°に設定した。
【００４０】
ｎ＝１とする理由について説明する。入射角φ＝５°としてレーザ光線Ｉ１を照射して結晶化Ｓｉ膜５ｂからなる試料５を作成すると共に計測装置を使用し、平行光３１の結晶化Ｓｉ膜５ｂへの照射方向を、照射した矩形をなすラインビーム（Ｉ１）の長軸方向（Ｙ方向）つまり図８に示すθ＝０°，９０°とし、回折光３２を得た。
【００４１】
結晶化Ｓｉ膜５ｂに、波長νが約３８０〜８００ｎｍの連続スペクトル光４１を照射用光ファイバー４２で伝送し、光ファイバー４２の出射口から２１ｍｍの位置に配置した焦点距離ｆ＝２１ｍｍの凸レンズ４４によつて平行光３１となし、レンズ４４からｖ＝９５ｍｍの距離に保つた結晶化Ｓｉ膜５ｂに、計測用入射角α＝５０°で平行光３１を照射した。
【００４２】
一方、結晶化Ｓｉ膜５ｂの表面からの回折光３２を先の凸レンズ４４を透過させ、照射用光ファイバー４２からｕ＝０．２ｍｍだけ平行に離れた位置にある受光用光ファイバー４５に角度２δで入射させた。ここで、上述したようにｕはｖに比べて充分に小さい（０．２／９５＝０．００２＝２ｍｒａｄ）ため、回折光３２の回折角βを照射した平行光３１の入射角αと同じβ＝α＝５０°とみなした。
【００４３】
このような条件で分光器４６を用いて測定した回折光３２のスペクトルを、３００〜８００ｎｍの波長範囲で図１５に示す。図１５（ａ）において実線ｉで示すθ＝０度の回折光３２のスペクトルは、波長５００ｎｍ付近における鋭いピーク強度Ｉｍａｘがあり、破線ｉｉで示すθ＝９０度の回折光３２のスペクトルは、波長５８５ｎｍ付近における鋭いピーク強度Ｉｍａｘがある。他の波長域の連続スペクトルは、照射した平行光３１が結晶化Ｓｉ膜５ｂの表面で乱反射して受光用光ファイバー４５に検出された成分である。参照のため、同様の測定をレーザ照射前のａ−Ｓｉ膜５ａに対して行つた場合の測定値も同じグラフ上に薄い実線ｉｉｉで示した。なお、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の実線ｉ及び破線ｉｉで示すｐ−Ｓｉ膜５ｂのデータを薄い実線ｉｉｉで示すａ−Ｓｉ膜５ａのデータで割算した結果を示すものであり、実線ｉｖはθ＝０度の結果を示し、破線ｖはθ＝９０度の結果を示す。図１５（ｂ）によつても、図１５（ａ）と同様のピーク強度Ｉｍａｘが知られる。
【００４４】
この鋭いピーク強度Ｉｍａｘを伴う結果から、結晶粒の配列・分布に適当な規則性があることが分かるので、次に結晶化Ｓｉ膜５ｂの結晶粒の大きさＤ（Ｄｘ）を算出する。先ず、回折光３２の次数は、分光器４６での波長測定で５００ｎｍ及び５８５ｎｍ（νｍａｘ）以外の波長に強いスペクトルが見られなかつたことから、これが１次であり、上記Ｄ＝ｎ・ν／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）なる式でｎ＝１とする。
【００４５】
なお、図１５に示すように、平行光３１の結晶化Ｓｉ膜５ｂへの照射方向を、照射した矩形をなすラインビーム（Ｉ１）の長軸方向（Ｙ方向）つまり図８に示すθ＝０°とし、回折光３２を得ることができるのみならず、平行光３１の結晶化Ｓｉ膜５ｂへの照射方向を、照射した矩形をなすラインビーム（Ｉ１）の短軸方向（Ｘ方向）つまり図８に示すθ＝９０°とし、回折光３２を得ることもできる。従つて、入射面Ｉ２に直交する入射面Ｉ５より計測装置の平行光からなる光束３１を入射し、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが図１５（ａ）（ｂ）に示す所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線Ｉ１の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の配列・分布の規則性を良好になしながら、その後の周期性構造を形成することができるのみならず、入射面Ｉ５に直交する入射面Ｉ２より計測装置の平行光からなる光束３１を入射し、周期性構造を計測し、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光線Ｉ１の照射エネルギー密度を設定し、結晶粒の配列・分布の規則性を良好になしながら、その後の周期性構造を形成することができる。
【００４６】
理論的には、入射角αと回折角βの値は異なつても問題ないが、レンズ４４が１つで照射する平行光３１及び回折光３２の検出のための機構構成が簡素になるため、図１３に示すような入射角αと回折角βとが事実上同じ角度になる測定装置が望ましい。
【００４７】
次に、周期性構造をなす結晶の結晶粒界の対向する２辺が平行をなし、結晶粒の配列・分布に規則性が生ずる理由について検討する。φ＝０，１，５°のときのＳＥＭ像（図５）を観察すると、φ＝０°のときの結晶粒界の凸部は円弧状であり、φ＝５°のときの結晶粒界の凸部は直線状である。また、φ＝１°のときには、直線状の周期パターンの中に、φ＝０°のときの円弧状パターンが部分的に見られた。なお、図５（ｃ）は、図１６と実質的に同じである。
【００４８】
レーザ光線Ｉ１の入射角φ＝０°でｐ−Ｓｉ膜５ｂの結晶は試料５面内で等方的（図５（ａ）のφ＝０°）であるが、φ＞１°で入射面Ｉ２と直交する方向の結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘ（図５（ｂ），（ｃ）のφ＝１，５°）が次第に大きくなる原因は、次のように推測される。
【００４９】
平行光線が平坦状の試料５に入射したとき、試料５表面に微小な凹凸があると散乱光（ないし回折光）が発生し、球面波が形成される。入射光である平面波と、反射光である球面波とは互いに干渉し、電場強度分布は、レーザ光線Ｉ１の入射角φの方向に依存する。これについて図６を参照して説明する。
【００５０】
エキシマレーザ光は、図６（ｂ）に示すように特定の方向が偏光していないランダム偏光Ｇ７であるが、図６（ａ）に示すように偏光していないレーザ光線Ｉ１が入射角φで試料５の表面Ｉ７に入射すると、反射光Ｉ１’は、図６（ｃ）に示すようにＸ方向を含む入射面Ｉ２と垂直なＹ方向の電場強度Ｇ５が強い光となる。従つて、入射面Ｉ２と平行なＸ方向に沿う干渉が強く起こり、試料５の温度は電場ＥとすればＥ２  に比例するため、干渉により強めあつた位置の温度が高くなり、図８に示す直交間隔Ｄｙを有する結晶の周期構造Ｉ３が生ずる。
【００５１】
次に、平面視でＸ方向から入射する平面波ＩＩ１である入射光Ｉ１（レーザ光線）と反射光とがどのように干渉するかを模式図（図７）を参照して説明する。図７（ａ）に示すように時間ｔで入射光の平面波ＩＩ１の一つの平面波面ｎが試料５に入射角φで入射すると、λ／ｃ後に、１波長遅れた平面波面ｎ＋１が試料５面Ｉ７に到達し、反射光Ｉ１’の球面波ＩＩ３の一つの波面ｎ’は平面波面ｎより位相が１／２・λずれて発生するため、図７（ｂ）に示すように時間ｔ＋３／２・λ／ｃで、平面波面ｎ＋１と球面波面ｎ’とが強め合う。ここで、λは入射光Ｉ１の波長、ｃは光速である。
【００５２】
更に時間Ｔ後に、図７（ｃ）に示すように平面波面ｎ＋１と球面波面ｎ−１’は、点ｐにおいて強め合う。このとき、平面波面ｎ＋１と表面Ｉ７との交点位置は、時間Ｔ後に、ｏからｐに移動し、距離ｏｐ＝ｓとすれば、
ｓ＝ｃＴ／ｓｉｎφ              ・・・・・・・・（１）
【００５３】
球面波面ｎ−１’は、ｏからλ離れた位置より、光束ｃで表面Ｉ７を移動するため、
ｓ＝λ＋ｃＴ                    ・・・・・・・・（２）
【００５４】
（１）（２）より
Ｔ＝（λ／ｃ）（ｓｉｎφ／（１−ｓｉｎφ））・・（３）
【００５５】
（３）を（１）に代入し、
ｓ＝λ／（１−ｓｉｎφ）        ・・・・・・・・（４）
この距離ｓを図８（ｂ）に示す。
【００５６】
従つて、図７の試料５面Ｉ７では、平面波ＩＩ１である入射光Ｉ１と反射光Ｉ１’とが間隔ｓで電場強度Ｅが強め合う。また、この距離ｓは、多数の結晶粒の周期性の間隔（結晶粒の大きさ）Ｄに成長する。これにより、結晶の周期構造Ｉ９の周期性の間隔Ｄｘが生ずる。図４（イ）（ロ）の結果に上記（４）式の結果を実線で示した。回折条件式から導かれる式：Ｄ＝νｍａｘ／２・ｓｉｎαによる結果を示す黒丸印とよく一致した。
【００５７】
一方、結晶の周期構造Ｉ９と直交方向の結晶の周期構造Ｉ３の周期性の直交間隔Ｄｙは、上記（４）式においてφ＝０として、ｓ＝λにて求まる。この間隔Ｄｙは、レーザ光線Ｉ１の電場強度Ｅが強め合つて生ずるが、電場強度Ｇ５が強いため、比較的明瞭に強く生ずる。この関係を実験結果に基づき表１に示す。レーザ光線Ｉ１からなる入射波があつて、図８に示すように試料５面Ｉ７の微小凹凸による回折波（反射光Ｉ１’）が反射波Ｉ１’ｘ，Ｉ１’ｙとしてＸ方向及びＹ方向に生じるとき、反射光Ｉ１’の電場強度Ｅは、Ｘ方向の反射波Ｉ１’ｘで弱くＹ方向の反射波Ｉ１’ｙで強い。従つて、Ｓｉ膜からなる試料５上の直交間隔Ｄｙをなす周期性構造Ｉ３のＸ方向に伸びる（Ｙ方向に繰り返す）結晶粒界は強く、間隔Ｄｘをなす周期性構造Ｉ９のＹ方向に伸びる（Ｘ方向に繰り返す）結晶粒界は弱く生ずる。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
しかして、前述したように入射面Ｉ２と平行なＸ方向に沿う干渉が強く起こり、試料５の温度は電場Ｅの二乗に比例し干渉により強めあつた位置の温度が高くなるため、図８（ｃ）に示すように間隔Ｄｙで結晶粒界が比較的強く生ずると同時に、図８（ｄ）に示すように間隔Ｄｘで結晶粒界が弱く生ずる。
【００６０】
Ｓｉ膜からなる試料５のレーザ光照射時の温度分布の周期は、上記（４）式のｓに一致するため、入射角φに依存して大きくなる。φの大きさを調整することで、結晶の周期性の間隔（結晶粒の大きさ）Ｄｘを調整することができる。図１の装置構成を基に、レーザ光２を入射面Ｉ２から入射光線Ｉ１として試料５面に入射させるとき、レーザ光線Ｉ１（ラインビーム）の短軸方向（Ｘ方向）の入射角φ＝３０°とすれば、λ＝３０８ｎｍの光を発生するエキシマレーザで、間隔：Ｄｘ×Ｄｙが、０．３０８／（１−ｓｉｎ３０°）×０．３０８／（１−ｓｉｎ０°）＝０．６２×０．３１μｍの方形の結晶粒が得られ、φ＝５０°とすれば、１．３×０．３１μｍの方形の結晶粒が得られる。
【００６１】
ところで、図９に示すように、レーザ光の試料５への照射回数が少ないときは結晶の計測装置によるスペクトルにピークがみられず、結晶に周期性が見られない。照射回数を増すことで、ピーク強度Ｉｍａｘが大きくなり、３２０〜３４０ｍＪ／ｃｍ２といつた最適な照射エネルギー密度による照射では、照射回数が１８回以上でピーク強度Ｉｍａｘが一定になる傾向がみられる。図９から分かるように、結晶に周期性を持たせるためには、試料５へのレーザ光の照射回数は複数回が必要であり、５回以上が好ましい。図１０に示すように、レーザ光の試料５への照射回数を２０回としたとき、計測装置の回折光３２のスペクトルのピーク強度Ｉｍａｘが所定の大きさになるように、周期性構造を形成するためのレーザ光の照射エネルギー密度（３２０〜３４０ｍＪ／ｃｍ２）を設定し、ｐ−Ｓｉ膜５ｂにおける結晶粒の分布の規則性を良好になし得る。
【００６２】
また、液晶パネルのＴＦＴは、図１１に示すソース・ドレインＨ５間を流れる電気移動度の大きさが、パネル全体で一定であることが望ましい。電気移動度は、ｐ−Ｓｉ結晶単体Ｈ３では単結晶Ｓｉの移動度に相当し、結晶粒界Ｈ４（突起３８）の移動度は結晶単体Ｈ３（平坦部３９）に比べて１〜２桁大きいといわれている。従つて、パネル全体に点在するＴＦＴの電気移動度を一定にするためには、ソース・ドレインＨ５，Ｈ５間の結晶粒界Ｈ４の数が、パネル全体で一定であることが望ましい。
【００６３】
ソース・ドレインＨ５電極の対向する辺Ｈ２の方向が一定であれば、ソース・ドレインＨ５間の距離Ｌに存在する結晶粒の数をパネル全体で均一にするためには、結晶の周期性の間隔Ｄ（Ｄｙ，Ｄｘ）が結晶粒の大きさに等しいから、Ｌ＝ｍ・Ｄ／ｃｏｓω（ｍは整数）とすることが望ましい。ここで、ωは、多結晶シリコンからなるｐ−Ｓｉ膜の作製後に形成させるソース・ドレインＨ５（不純物領域）の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４（突起３８）とのなす角度で、結晶粒界Ｈ４は結晶粒の周期構造Ｉ３，Ｉ９の方向と一致する。
【００６４】
このように、結晶粒の大きさＤはＴＦＴのソース・ドレインＨ５間の距離Ｌに合わせて調整することが望ましいが、本方法によれば、レーザ光線の入射角φ（図８）を調整することで、容易にＤ（Ｄｘ）を調整することができる。すなわち、入射面Ｉ２と直交する方向の結晶粒界Ｈ４で仕切られる結晶の周期性の間隔Ｄｘが、ＴＦＴのソース・ドレインＨ５の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｘ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレインＨ５の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４とのなす角度となるように、レーザ光線Ｉ１の入射角φを調整することができる。
【００６５】
また、レーザ光線の波長λを調整して、結晶粒の大きさＤ（直交間隔：Ｄｙ）を調整することができる。すなわち、入射面Ｉ２と平行な結晶粒界で仕切られる結晶の周期性の直交間隔Ｄｙが、ＴＦＴのソース・ドレインＨ５の間隔Ｌに対して、Ｌ＝ｍ・Ｄｙ／ｃｏｓω（ｍは整数）、ωはソース・ドレインＨ５の辺Ｈ２と結晶粒界Ｈ４とのなす角度となるように、レーザ光線Ｉ１の波長λを調整することができる。
【００６６】
上記１実施の形態にあつては、図１８に示すレーザ発振器３ａで生じさせたレーザ光２を矩形のラインビームに整形し、このレーザ光線Ｉ１を図１に示す光学系の素子に導き、直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線Ｉ１として試料５に照射したが、図１に示す光学系の素子は省略することが可能である。すなわち、図１８に示す結晶粒の作成装置において、レーザ光線Ｉ１を入射角φを与えて１つの入射面Ｉ２から試料５に照射するように、入射角φを１度以上に設定できる光学系手段（図１に示す第３のミラーＣ４，試料台Ｃ８と同様のもの。）を備えさせればよい。例えば、図１８に示す結晶粒の作成装置において、反射ミラー３ｃ及び投影レンズ１１を一体に傾動させるものを光学系手段とすることができる。
【００６７】
更に、上記１実施の形態にあつては、直線偏光でない１つのレーザ光線Ｉ１を、ホモジナイザーＡ１，Ａ２を通して入射角φを与えて１つの入射面Ｉ２から試料５に照射したが、同時に、直交入射面Ｉ５からも同様の直線偏光でない平行光線からなる１つのレーザ光線を試料５に照射し、試料５を結晶化することも可能である。その際、入射面Ｉ２及び直交入射面Ｉ５から入射させる各１つのレーザ光線は、同じレーザ発振器３ａで生じさせたレーザ光２をハーフミラーを通して分割させて用いることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明によつて理解されるように、本発明に係る結晶の周期性構造の形成方法及びその装置によれば、次の効果を奏することができる。
レーザ光を試料に照射する前に直線偏光にすることなく、レーザ光線を高出力のままで平坦な試料に照射させながら、試料上に結晶粒からなる良好な周期性構造を形成することが可能になる。結晶粒は、特定の方向に周期性を持ち、かつ、レーザ光の波長より大きくできる。その結果、良好な周期性を持たせた薄膜トランジスター等の製品を簡素な構造の装置によつて形成することが可能になる。
【００６９】
請求項４，５，９，１０によれば、試料の結晶の周期性の間隔つまり結晶粒の大きさ及び配列方向を知り、薄膜トランジスターのソース・ドレインを適正に配置することができる。特に、結晶粒界数の小さくなる配列方向にソース・ドレインを配置し、結晶粒界において電子の移動度が低下して薄膜トランジスターの電気的特性が悪化することを防止して、薄膜トランジスターの品質を向上させることが可能になる。
【００７０】
また、請求項６，１１のように計測装置を使用すれば、ｐ−Ｓｉ膜などの試料における結晶粒の配列ないし分布の規則性の評価を簡易に行ない、ひいては、良好なエネルギー密度のレーザ光を試料に照射して、均一かつ適正な規則性を有する結晶を試料の全面に形成することができる。加えて、計測装置の使用により、レーザ光を照射して試料を結晶化させながら、レーザ光のエネルギー密度を制御し、予め決定した結晶化に適する回折光のスペクトル強度及び波長を得ることができる。これにより、レーザ光を照射して試料を結晶化させながら、均一かつ適正な規則性を有する結晶を試料の全面に無駄なく形成することができる。
【００７１】
請求項１２に記載した結晶の周期性構造によれば、レーザ光線を平坦な試料に照射させて試料上に形成する周期性構造をなす結晶の結晶粒界が、対向する２辺が平行をなしている。これにより、品質良好な薄膜トランジスター等の製品を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態に係る結晶の周期性構造の形成装置の要部を示す正面図。
【図２】同じくレーザ光線の入射角を変化させて結晶化させた試料に対し、計測装置の光束の入射角を変化させて得た回折光のスペクトルの最大強度（任意単位）特性を示す線図。
【図３】同じくレーザ光線の入射角を変化させて結晶化させた試料に対し、計測装置の光束の入射角を変化させて得た回折光のスペクトル最大強度が得られる波長特性を示す線図。
【図４】同じくレーザ光線の入射角−結晶粒の大きさ特性を示す線図であり、図４（イ）は、結晶化するためのレーザ光線Ｉ１の入射角φ＝０〜５度の範囲で示し、図４（ロ）は、結晶化するためのレーザ光線Ｉ１の入射角φ＝０〜５０度の範囲で示す。
【図５】同じくレーザ光線の入射角を変えたときのｐ−Ｓｉ膜のＳＥＭ写真を示し、（ａ）は入射角：φ＝０°、（ｂ）は入射角：φ＝１°、（ｃ）は入射角：φ＝５°を示す。
【図６】同じくレーザ光線を所定入射角で試料の表面に入射するときの説明図であり、（ａ）はレーザ光線及び試料を示す説明図、（ｂ）は入射光の電場強度分布を示す説明図、（ｃ）は反射光の電場強度分布を示す説明図。
【図７】同じく入射光と反射光との干渉を示す模式図であり、（ａ）は時間ｔで入射光の平面波が試料に入射角φで入射するときを示し、（ｂ）は時間ｔ＋３／２・λ／ｃで平面波面ｎ＋１と球面波面ｎ’とが強め合う状態を示し、（ｃ）は時間ｔ＋３／２・λ／ｃ＋Ｔで平面波面ｎ＋１と球面波面ｎ−１’とが強め合う状態を示す図。
【図８】同じくレーザ光線を所定入射角で試料の表面に入射するときの説明図であり、（ａ）はレーザ光線及び試料を示す説明図、（ｂ）は図７（ｃ）と同様に平面波面ｎ＋１と球面波面ｎ’，ｎ−１’とが強め合う間隔を示し、（ｃ）はＸ方向に伸びる結晶粒界で仕切られた周期構造の結晶粒界による直交間隔を示し、（ｄ）はＹ方向に存在する直交入射面と平行な結晶粒界による間隔を示す図。
【図９】同じくレーザ光線の照射回数−評価装置のスペクトル最大強度（任意単位）特性を示す線図。
【図１０】同じくレーザ光線のエネルギー密度−評価装置のスペクトル最大強度（任意単位）特性を示す線図。
【図１１】同じくソース・ドレインを形成した液晶パネルのＴＦＴを示す概略図。
【図１２】同じく結晶評価装置の原理を示す正面図。
【図１３】同じく結晶評価装置を示す正面図。
【図１４】同じく結晶評価装置の入射方向を変化させて回折光のスペクトルを得るための説明図。
【図１５】同じく評価装置の回折光の波長−強度（任意単位）特性を示す線図であり、図１４（ａ）は測定値の線図、図１４（ｂ）はθ＝０度及び９０度としたｐ−Ｓｉ膜の測定値をａ−Ｓｉ膜のデータで割算した結果を示す。
【図１６】同じくレーザ光の入射角を５°としたときの結晶のＳＥＭ写真を示す図。
【図１７】従来のレーザ光の入射角を０°としたときの結晶のＳＥＭ写真を示す図。
【図１８】従来の結晶粒の作成装置を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図。
【図１９】従来の結晶化Ｓｉ膜の作成装置に組み込むホモジナイザーを示す斜視図。
【符号の説明】
３ａ：レーザ発振器、５：試料、５ａ：ａ−Ｓｉ膜、５ｂ：ｐ−Ｓｉ膜、３１：光束、３２：回折光、３５：正反射光、４１：連続光（光源）、４２：照射用光ファイバー（光源）、４４：レンズ、４５：受光用光ファイバー、４６：分光器、４７：表示装置、Ａ１，Ａ２：ホモジナイザー、Ｃ４：第３のミラー（光学系手段）、Ｃ８：試料台（光学系手段）、Ｄ：間隔（結晶粒の大きさ）、Ｄｘ：間隔、Ｄｙ：直交間隔、Ｈ２：ソース・ドレインの辺、Ｈ４：結晶粒界、Ｈ５：薄膜トランジスターのソース・ドレイン、Ｉ１：レーザ光線、Ｉ２：入射面、Ｉ５：直交入射面、Ｌ：ソース・ドレインの間隔、ｚｎ：法線、α：計測用入射角、β：回折角、θ：入射方向、λ：レーザ光線の波長、ν：回折光のスペクトル波長、φ：入射角。
【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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【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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