(57)【要約】【課題】シリコン結晶粒の位置及び大きさを制御できるシリコン結晶化方法、及びこのようなシリコン結晶化方法に適したレーザアニール装置を提供する。【解決手段】アモルファス相のシリコン膜に第１のレーザ光束群を照射してアモルファス相のシリコン膜の一部を溶融し、溶融した部分のシリコン膜を冷却させてシリコン結晶粒を発生させる。シリコン膜に第２のレーザ光束群を照射し、シリコン膜のアモルファス相領域を溶融し、シリコン膜のシリコン結晶粒の領域を完全には溶融せず、残ったシリコン結晶粒から結晶を成長させる。第１のレーザ光束群は、照射面においてスポット径が１０μｍ以下のスポット状の高エネルギ密度部分を形成する。第２のレーザビームは、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さいレーザビームを用いる。【選択図】　　　図１
2004103794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス相のシリコン膜を結晶化するシリコン結晶化方法であって、
アモルファス相のシリコン膜に第１のレーザ光束群を照射してアモルファス相の前記シリコン膜の一部を溶融し、次に前記シリコン膜を冷却させて、溶融した部分からシリコン結晶粒を発生させる工程と、
前記シリコン膜に第２のレーザ光束群を照射し、前記シリコン膜のアモルファス相領域を溶融し、前記シリコン膜の前記シリコン結晶粒の領域を完全には溶融せず、残ったシリコン結晶粒から結晶を成長させる工程と
を含み、前記第１のレーザ光束群は、照射面においてスポット径が１０μｍ以下のスポット状の高エネルギ密度部分を形成し、前記第２のレーザビームは、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さいレーザビームであるシリコン結晶化方法。
【請求項２】
前記第１のレーザ光束群は、第１の空間コヒーレンス長を有する第１の原レーザビームを分割して得られる、干渉性を有する複数のレーザ光束から構成され、前記スポット状の高エネルギ密度部分は、前記複数のレーザ光束群を共通の領域に照射し、干渉させることによって形成される請求項１に記載のシリコン結晶化方法。
【請求項３】
前記第１のレーザ光束群は、前記第１の空間コヒーレンス長よりも小さい一定の第１のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有する第１のホモジナイザに、前記第１の原レーザビームを入射させて得られる請求項２に記載のシリコン結晶化方法。
【請求項４】
前記第２のレーザ光束群は、前記第１の原レーザビームまたは該第１の原レーザビームとは異なる空間コヒーレンス長を有する第２の原レーザビームを分割して得られる、干渉性を有しない複数のレーザ光束から構成される請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン結晶化方法。
【請求項５】
前記第１のレーザ光束群が前記複数の高エネルギ密度部分を形成し、前記シリコン結晶粒を発生させる工程において、前記シリコン膜の一部が、第１の方向に一定の第１の間隔で溶融されてシリコン結晶粒を発生させ、前記結晶を成長させる工程において、前記第２のレーザ光束群が前記シリコン膜に干渉せずに長尺状に集光され、該長尺状に集光された部分は長さ方向と直交する方向の幅が前記第１の間隔より小さく、幅方向が前記第１の方向に平行であり、前記長尺状に集光された部分が前記シリコン膜上を、前記第１の方向に走査する請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン結晶化方法。
【請求項６】
前記第１及び第２のレーザビームの照射を受ける前記シリコン膜は、不活性ガス雰囲気により外気から遮断されている請求項１〜５のいずれかに記載のシリコン結晶化方法。
【請求項７】
一定の空間コヒーレンス長を有し、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さい原レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記原レーザビームの光路上に選択的に配置可能な第１及び第２のホモジナイザであって、前記空間コヒーレンス長より小さい一定の第１のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有し、前記原レーザビームを分割して干渉性を有する第１のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射する第１のホモジナイザと、前記空間コヒーレンス長より大きい一定の第２のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有し、前記原レーザビームを分割して干渉性を有しない第２のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射する第２のホモジナイザと、
加工対象物を載置するステージと
を有するレーザアニール装置。
【請求項８】
さらに、前記加工対象領域周囲に不活性ガス雰囲気を噴射し、加工対象領域を外気から遮断する機構を有する請求項７に記載のレーザアニール装置。
【請求項９】
第１の空間コヒーレンス長を有し、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さい原レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記原レーザビームの光路上に配置可能な光学素子であって、前記原レーザビームが入射した場合、該原レーザビームを分割して干渉性を有しない第１のレーザ光束群を出射する光学素子と、
前記第１の空間コヒーレンス長より小さい一定のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有するホモジナイザであって、前記原レーザビームが入射した場合、該原レーザビームを分割して干渉性を有する第２のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射させ、前記第１のレーザ光束群が入射した場合、該第１のレーザ光束群を分割して干渉性を有しない第３のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射させるホモジナイザと、
加工対象物を載置するステージと
を有するレーザアニール装置。
【請求項１０】
さらに、前記加工対象領域周囲に不活性ガス雰囲気を噴射し、加工対象領域を外気から遮断する機構を有する請求項９に記載のレーザアニール装置。
【請求項１１】
第１の空間コヒーレンス長を有する第１の原レーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
第２の空間コヒーレンス長を有し、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さい第２の原レーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
前記第１及び第２の原レーザビームの光路上に配置され、前記第１の空間コヒーレンス長より小さく前記第２の空間コヒーレンス長より大きい一定のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有し、前記第１の原レーザビームが入射した場合、該第１の原レーザビームを分割して干渉性を有する第１のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射させ、前記第２の原レーザビームが入射した場合、該第２の原レーザビームを分割して干渉性を有しない第２のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射させるホモジナイザと、
加工対象物を載置するステージと
を有するレーザアニール装置。
【請求項１２】
さらに、前記加工対象領域周囲に不活性ガス雰囲気を噴射し、加工対象領域を外気から遮断する機構を有する請求項１１に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファス相のシリコン膜にレーザビームを照射してシリコン膜の結晶化を行うシリコン結晶化方法、及びそのシリコン結晶化方法に適したレーザアニール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン中のキャリア（たとえば電子）の移動度は、アモルファス相、多結晶（ポリ）相、単結晶相の順で大きく改善される。耐熱性の低い基板上には、通常アモルファス相のシリコン膜が形成されるが、このアモルファスシリコン膜を多結晶化ないし単結晶化させると、移動度は大幅に向上する。
【０００３】
ＸｅＣｌ等のエキシマレーザ光を照射して、アモルファスシリコン膜を多結晶化するアニール技術が知られている。エキシマレーザは、高出力であるため広い範囲にレーザビームを照射できる。一方、エキシマレーザは、光軸安定性（ポインティングスタビリティ）やエネルギ安定性において良好であるとは言い難い。アモルファスシリコン膜を単結晶化する場合、光軸やエネルギの揺らぎが大きいため、膜の面内方向に連続したシリコン結晶粒を形成することが難しく、高いスループットを望むことは困難である。
【０００４】
多結晶シリコン膜において結晶粒界の位置を制御することは、極めて困難である。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）においては、電流の流れる領域を単結晶化できれば、トランジスタの特性は大幅に向上する。そのため、結晶粒の形成位置を制御する様々な方法が提案されている。それらは、レーザビームを遮断するマスクを使用するか否かによって大別される。
【０００５】
図９を参照し、マスクを使用したレーザアニールによるシリコン結晶化方法を説明する。
【０００６】
図９（Ａ）を参照する。ガラス基板６２上に、たとえば酸化シリコン膜で形成された下地層６１が積層され、その上にアモルファスシリコン層６０が形成されている。アモルファスシリコン層６０表面に、マスク６３で一部が遮られたレーザビームが入射する。マスク６３は、たとえば幅３〜９μｍ、長さ１０ｍｍのスリット６４を有し、スリット６４を透過したレーザビームが、アモルファスシリコン層６０に照射され、アモルファスシリコン層６０を溶融する。照射されたレーザビームは、アモルファスシリコン層６０中に温度分布をつくる。この図において、左から右に向かう方向をＸ方向とする。
【０００７】
図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＸ方向に沿って、アモルファスシリコン層６０の温度分布を概略的に表したグラフである。レーザビームの遮られている部分の温度が低くなっている。この温度の低くなっている部分に、種結晶が発生する。結晶粒は、各スリットの両端から中央部に向かって成長する。
【０００８】
この方法は、レーザビームの照射エリアをマスク６３で制限するため、エキシマレーザのデメリットである光軸安定性（ポインティングスタビリティ）を補う効果がある。しかし、マスクをμｍステップで走査しなければならず、スループットが悪くなる。
【０００９】
マスクを使わない方法の例としては、下地構造を工夫する方法とレーザビームの干渉を利用する方法とが挙げられる。
【００１０】
図１０を参照して、下地構造を工夫する方法の例を説明する。
【００１１】
図１０に示すように、ガラス基板６２上に、たとえば酸化シリコン膜で形成された下地層６１が積層され、その上にアモルファスシリコン層６０が形成されている。下地層６１には、アモルファスシリコン層６０が積層されている側の面に窪みが設けられている。この試料に、アモルファスシリコン層６０の表面から、レーザビームを照射し、アモルファスシリコン層６０を溶融すると、窪みの底部に優先的に種結晶が発生し、窪みから結晶粒が成長する。この方法は、レーザビームを照射する前に、試料を微細加工しなければならないため、加工工程数が多くなるというデメリットがある。
【００１２】
次に、図１１を参照して、レーザビームの干渉を利用するシリコン結晶化方法について述べる。
【００１３】
図１１（Ａ）は、アモルファスシリコン層６０の断面図である。このアモルファスシリコン層６０上に、複数のレーザビームを角度をつけて照射し、それらを重ね合わせることで、干渉パターンをつくる。アモルファスシリコン層６０上には、干渉パターンに対応したビーム強度の分布が形成される。
【００１４】
図１１（Ｂ）に示すように、ビーム強度の高い位置のアモルファスシリコン層６０は溶融し、溶融した部分に種結晶６５が形成される。
【００１５】
図１１（Ｃ）を参照する。アモルファスシリコン層６０に、種結晶６５を形成したときとは別のレーザビームを照射すると、アモルファスシリコン層６０中に、種結晶６５から、横方向に成長が生じる。結晶粒６６は、種結晶６５を中心とする同心円状に成長する。隣り合う種結晶６５から成長した結晶粒６６は、隣り合う種結晶６５からの距離がほぼ等しいあたりに結晶粒界６７を形成する。
【００１６】
図１１（Ｄ）は、図１１（Ｃ）に断面を示したアモルファスシリコン層６０の平面図である。形成された各結晶粒６６の中央付近に、種結晶６５が位置している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、シリコン結晶粒の位置及び大きさの制御を改善できるシリコン結晶化方法を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、このようなシリコン結晶化方法に適したレーザアニール装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、アモルファス相のシリコン膜を結晶化するシリコン結晶化方法であって、アモルファス相のシリコン膜に第１のレーザ光束群を照射してアモルファス相の前記シリコン膜の一部を溶融し、次に前記シリコン膜を冷却させて溶融した部分からシリコン結晶粒を発生させる工程と、前記シリコン膜に第２のレーザ光束群を照射し、前記シリコン膜のアモルファス相領域を溶融し、前記シリコン膜の前記シリコン結晶粒の領域を完全には溶融せず、残ったシリコン結晶粒から結晶を成長させる工程とを含み、前記第１のレーザ光束群は、照射面においてスポット径が１０μｍ以下のスポット状の高エネルギ密度部分を形成し、前記第２のレーザビームは、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さいレーザビームであるシリコン結晶化方法が提供される。
【００２０】
このシリコン結晶化方法によれば、シリコン膜の規則的な位置にシリコン結晶粒を成長させて形成することができる。また、第１のレーザ光束群が照射される照射面のエネルギ密度の強弱分布を制御することにより、形成されるシリコン結晶粒の大きさや位置を制御することができる。
【００２１】
また、本発明の他の観点によれば、一定の空間コヒーレンス長を有し、波長が３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さい原レーザビームを出射するレーザ光源と、前記原レーザビームの光路上に選択的に配置可能な第１及び第２のホモジナイザであって、前記空間コヒーレンス長より小さい一定の第１のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有し、前記原レーザビームを分割して干渉性を有する第１のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射する第１のホモジナイザと、前記空間コヒーレンス長より大きい一定の第２のシリンドリカルレンズピッチで並べられたシリンドリカルレンズを有し、前記原レーザビームを分割して干渉性を有しない第２のレーザ光束群を形成して加工対象物上の共通の領域に照射する第２のホモジナイザと、加工対象物を載置するステージとを有するレーザアニール装置が提供される。
【００２２】
原レーザビームが第１のホモジナイザに入射する。第１のホモジナイザからは、干渉性を有する第１のレーザ光束群が出射し、加工対象物である基板の、アモルファス相のシリコン層上の共通の領域に照射される。照射面において、第１のレーザ光束群は干渉し、スポット状の高エネルギ部分が形成される。スポット状の高エネルギ部分が照射されたシリコン層の箇所は溶融し、溶融した箇所にはシリコン結晶粒が発生する。シリコン結晶粒は規則的な位置に形成される。
【００２３】
次に、原レーザビームを第２のホモジナイザに入射させる。第２のホモジナイザからは、干渉性を有しない第２のレーザ光束群が出射し、シリコン層上の共通の領域に照射される。照射部分は長尺状となり、その照射部分において、第２のレーザ光束群は干渉せず、照射部分のエネルギ密度はほぼ均一となる。長尺状の照射部分は、シリコン層上を走査する。シリコン層のアモルファス相領域は溶融され、規則的な位置に形成されたシリコン結晶粒の領域は完全には溶融されず、残ったシリコン結晶粒から結晶が成長する。このように、上記のレーザアニール装置を用い、規則的に位置するシリコン結晶を形成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施例によるシリコン結晶化方法を説明する。
【００２５】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるレーザアニール装置の概略図である。レーザ光源１、たとえば波長変換ユニットを含む全固体レーザ発振器、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザから、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）が出射する。このレーザビームの空間コヒーレンス長は、たとえば２４ｍｍである。出射したレーザビームは、必要に応じて配置される反射ミラー２で反射され、レーザビームのエネルギを調整するアッテネータ３、レーザビームのビーム径を拡大するテレスコープ４を経て、ホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５については、後に詳述する。
【００２６】
ホモジナイザ５から出射したレーザビームは、必要に応じて反射ミラー２で反射され、プロセスチャンバ８内のステージ６上に載置された加工対象物である基板７に入射する。基板７は、たとえばガラス基板上に、酸化シリコンでつくられた下地層が積層され、その上にアモルファス相のシリコン層が形成されている基板である。ステージ６は、その上に載置される加工対象物を、２次元平面内で移動させることができる。
【００２７】
プロセスチャンバ８は、不活性ガスライン９及び排気系１０を備えている。プロセスチャンバ８内で加工対象物のレーザ加工が行われる。不活性ガスライン９は、噴射部１１と接続している。噴射部１１からは、加工対象物の加工対象領域周囲に不活性ガスが噴射される。加工対象物の加工対象領域周囲には不活性ガス雰囲気が形成され、加工対象領域が外気から遮断される。
【００２８】
図１（Ｂ）を参照し、ホモジナイザ５について、詳述する。図１（Ｂ）に示すように、ホモジナイザ５は、アレイレンズ２０、２２及びコンデンサレンズ２４を含んで構成される。以下、説明の便宜のため、図１（Ｂ）において、下から上に向かう方向をＸ方向、左から右に向かう方向をＺ方向、紙面裏から表に向かう方向をＹ方向と定めることとする。
【００２９】
アレイレンズ２０は、たとえば、同型、同材質、同一特性の、一方向（長さ方向）に長い、複数のシリンドリカルレンズ２１を、長さ方向をＹ方向と平行にし、隣り合うシリンドリカルレンズ２１の柱面の端部が互いに接するように、Ｘ方向に並べて構成される。１個のシリンドリカルレンズ２１がＸ方向に占める幅を、アレイレンズ２０のシリンドリカルレンズピッチと呼ぶこととすると、それは、たとえば５ｍｍである。このように配置されたシリンドリカルレンズ２１は、Ｙ方向に一様な断面を有し、Ｚ方向に焦点距離を有する。アレイレンズ２０は、複数のシリンドリカルレンズ２１を並べて配置することにより、１本のレーザビームを複数のレーザ光束に分割することができる。
【００３０】
アレイレンズ２２は、たとえば、同型、同材質、同一特性の、一方向（長さ方向）に長い、複数のシリンドリカルレンズ２３を、長さ方向をＸ方向と平行にし、隣り合うシリンドリカルレンズ２３の柱面の端部が互いに接するように、Ｙ方向に並べて構成される。１個のシリンドリカルレンズ２３がＹ方向に占める幅を、アレイレンズ２３のシリンドリカルレンズピッチと呼ぶこととすると、それは、たとえば５ｍｍである。アレイレンズ２０のシリンドリカルレンズピッチとアレイレンズ２２のそれとが、一致する必要はない。このように配置されたシリンドリカルレンズ２３は、Ｘ方向に一様な断面を有し、Ｚ方向に焦点距離を有する。アレイレンズ２２は、複数のシリンドリカルレンズ２３を並べて配置することにより、１本のレーザビームを複数のレーザ光束に分割することができる。
【００３１】
ホモジナイザ５に入射したレーザビーム２５が、Ｚ方向に向かってアレイレンズ２０に入射する。アレイレンズ２０及び２２が、１本のレーザビームをそれぞれｍ本、ｎ本のレーザ光束に分割するとすれば、アレイレンズ２２からは（ｍ＊ｎ）本のレーザ光束２６が出射することになる。（ｍ＊ｎ）本のレーザ光束２６は、コンデンサレンズ２４に入射する。コンデンサレンズ２４は、このレーザ光束群を共通の領域に照射する。レーザビーム２５の空間コヒーレンス長がアレイレンズ２０及び２２のシリンドリカルレンズピッチよりも大きいため、レーザ光束群は干渉し、レーザビームの照射面には、周期性を有するある一定のパターンをもつエネルギ密度分布が形成される。
【００３２】
図２（Ａ）は、コンデンサレンズ２４から出射したレーザ光束群が共通の領域に照射されたときの、照射面におけるエネルギ密度の分布を示す概略図である。レーザ光束群は、ある一方向に長い長尺状に照射される。照射面内の規則的な位置に、スポット状の高エネルギ密度部分が形成される。スポット径は１０μｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
規則的に形成されるスポット状の高エネルギ密度部分をピーク部分と呼び、ピーク部分の間隔をピーク間隔と呼ぶことにする。照射面内の直交する２方向をＸ方向、Ｙ方向とすると、ピーク部分は、たとえばＸ方向に一定間隔でひかれたＹ方向に平行な複数の直線と、Ｙ方向に一定間隔でひかれたＸ方向に平行な複数の直線との交点に当たる位置に形成される。ピーク間隔は、Ｘ方向にたとえば２１μｍ、Ｙ方向にたとえば２１μｍである。
【００３４】
ホモジナイザ５から出射したレーザ光束群は、基板７のシリコン層に照射される。
【００３５】
図２（Ｂ）は、基板７のシリコン層５０の断面図である。シリコン層５０は、アモルファス相である。図２（Ａ）に示すようなエネルギ密度分布を照射面に形成するレーザ光束群が、アモルファス相のシリコン層５０に入射する。
【００３６】
図２（Ｃ）は、レーザビーム照射後の、シリコン層５０の断面図である。規則的な位置に種結晶５１が形成されている。これらは、スポット状の高エネルギ密度部分が形成された位置のアモルファス相のシリコン層５０が溶融し、冷却され、不活性ガス雰囲気内で固化（結晶化）して、形成された種結晶である。したがって、隣り合う種結晶５１の間隔は、たとえばＸ方向に２１μｍ、Ｙ方向に２１μｍである。それ以外のアモルファス相のシリコン層５０は、溶融せずアモルファス相のままである。
【００３７】
シリコン層５０に種結晶５１を形成した後、ホモジナイザ５を、レーザビームの光路上から取り外し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから出射する２倍高調波の空間コヒーレンス長（２４ｍｍ）より大きいシリンドリカルレンズピッチを有するアレイレンズを含んで構成されるホモジナイザを、レーザ光路上に配置する。配置されたホモジナイザにおいて、アレイレンズ２０に対応するアレイレンズのシリンドリカルレンズピッチは、たとえば３０ｍｍ、アレイレンズ２２に対応するアレイレンズのシリンドリカルレンズピッチは、たとえば３０ｍｍである。
【００３８】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）が、図１を用いて説明したのと同様の経路を辿って、新たに配置されたホモジナイザに入射する。２つのアレイレンズによってレーザビームは、分割され複数のレーザ光束を形成し、コンデンサレンズに入射する。コンデンサレンズは、各レーザ光束を共通の領域に照射する。レーザビームの空間コヒーレンス長が２つのアレイレンズのシリンドリカルレンズピッチよりも小さいため、照射面において、レーザ光束群は干渉しない。共通の領域に照射されたレーザ光束群は、照射面において、ほぼ均一なエネルギ密度分布を形成する。レーザ光束群は、ある一方向に長い長尺部分に照射される。
【００３９】
図３を参照する。図３（Ａ）は、新たに配置したホモジナイザから出射したレーザ光束群が、共通の領域（長尺状部分）に照射されたときの、照射面におけるエネルギ密度の分布を示す概略図である。レーザ光束群は、照射面において、エネルギ密度が長尺のトップフラット形状となるように集光される。長尺状に集光された部分に関して、長さ方向と直交する方向の幅は、シリコン層５０のＹ方向に隣り合って形成されている種結晶５１の間隔（２１μｍ）よりも小さい。ホモジナイザから出射したレーザ光束群は、シリコン層５０に入射する。
【００４０】
図３（Ｂ）及び（Ｃ）を参照する。図３（Ｂ）は、新たに配置したホモジナイザから出射したレーザ光束群が照射された後のシリコン層５０の断面図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に断面を示したシリコン層５０の平面図である。ホモジナイザから出射したレーザ光束群は、図３（Ｃ）に点線で示すように、長さ方向がＸ方向と平行となるように（長さ方向と直交する幅方向が、Ｙ方向と平行になるように）シリコン層５０に照射される。更に、ステージ６による基板７の移動によって、長尺状に集光された部分は、シリコン層５０上をＹ方向に走査される。シリコン層５０の一部がある一定の方向に一定の間隔で溶融され、溶融された位置に種結晶５１が形成されている場合、照射面において形成されるほぼ均一なエネルギ密度分布を有する長尺部分は、長さ方向と直交する幅がその一定の間隔よりも小さい。また、その一定の方向に走査される。なお、レーザ光束群は、シリコン層５０の同一位置に何回か繰り返し照射される。
【００４１】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の波長（５３２ｎｍ）におけるアモルファス相のシリコンの光吸収係数は、結晶相のシリコンの光吸収係数より１桁以上大きい。このためシリコン層５０上に照射されたレーザ光束群は、アモルファス相でより多く吸収される。エネルギ密度を調整することにより、種結晶５１を完全には溶融させることなく、アモルファス相の部分だけを溶融させ、各種結晶５１を基点として結晶粒５２を、シリコン層５０の面内方向に成長させる。種結晶５１の一つ一つを基点として成長していった結晶粒５２は、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような結晶粒界５３を形成する。結晶粒５２は規則的な位置に形成される。レーザ光束群の走査により、種結晶５１を、結晶粒５２の端部に形成することができる。なお、レーザ光束群が照射される長尺部分の幅を、形成されている種結晶の間隔よりも小さくするのは、結晶粒界を制御するためである。
【００４２】
第１の実施例においては、シリコン層５０に種結晶５１を形成した後、可干渉性を有するレーザ光束群を形成するホモジナイザ５にかえて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから出射する２倍高調波の空間コヒーレンス長（２４ｍｍ）より大きいシリンドリカルレンズピッチを有するアレイレンズを含んで構成されるホモジナイザを、レーザ光路上に配置した。しかし、ホモジナイザの交換を行わず、ホモジナイザ５に入射するレーザビームの干渉性を調節することによって、同様の効果を得ることも可能である。
【００４３】
図４を参照する。図４は、図１のテレスコープ４とホモジナイザ５との間に、非干渉化素子４０を配置したレーザアニール装置の概略図である。
【００４４】
レーザ光源１から出射したＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）は、必要に応じて配置される反射ミラー２で反射され、レーザビームのエネルギを調整するアッテネータ３、レーザビームのビーム径を拡大するテレスコープ４を経て、非干渉化素子４０に入射する。
【００４５】
図５（Ａ）に、非干渉化素子４０の構成例を示す。非干渉化素子４０は、Ｚ方向の長さが異なる光学材料の板をＹ方向に積層した非干渉化素子４０ａと、Ｘ方向に積層した非干渉化素子４０ｂとを、Ｚ方向に並べて構成される。Ｚ方向は、非干渉化素子４０に、レーザビームが入射する方向である。
【００４６】
図５（Ｂ）は、非干渉化素子４０ａ（４０ｂ）の構成を示す斜視図である。光軸（図５（Ａ）におけるＺ軸）方向の長さが次第に減少する板が積層されている。非干渉化素子４０ａはｍ枚、非干渉化素子４０ｂはｎ枚の板を積層した構成である。
【００４７】
各非干渉化素子（４０ａ、４０ｂ）において、任意の２つの光学材料の板の光軸方向の光路長差が、時間コヒーレンス長以上となるように各板の長さを選択すれば、異なる板から出射したレーザビーム間の干渉性は消滅する。
【００４８】
非干渉化素子４０ａは、入射レーザビームをＹ方向で分割しｍ本のレーザビーム束を形成する。非干渉化素子４０ｂは、入射レーザビームをＸ方向で分割しｎ本のレーザビーム束を形成する。２つの非干渉化素子４０ａ、４０ｂで、入射レーザビームを（ｍ＊ｎ）本のレーザビーム束に分割し、任意の２つのレーザビーム束間の可干渉性を消滅することができる。
【００４９】
なお、レーザビームの断面を（ｍ＊ｎ）個の領域に分割するだけであれば、非干渉化素子４０ａと非干渉化素子４０ｂとの積層方向が交差するようにするだけで十分である。積層方向を直交するようにすると、レーザビーム断面を直交する２方向に沿って分割し、（ｍ＊ｎ）個の矩形領域を形成することがきる。（ｍ＊ｎ）本のレーザビーム束はホモジナイザ５に入射するが、直交方向に分布する複数のレーザビーム束群とすることにより、ホモジナイザ５との適合性を増加させることができる。
【００５０】
図５（Ａ）には、隣接して積層される板の長さ（光路長）が単調に変化する構成を図示したが、光路長差の設定は任意である。たとえば、図５（Ａ）において、非干渉化素子４０ａ、４０ｂを交換した配置、Ｚ軸方向に関し反転させた配置でもよい。
【００５１】
図５（Ｃ）に、積層方向に沿ってランダムな光路長差を設定した非干渉化素子の構成を示す。各板を透過したレーザビーム束が同一領域に重ねて照射される場合、隣接して積層される板の長さが単調に変化する構成の非干渉化素子４０ａ（４０ｂ）と、同様の効果を有する。
【００５２】
なお、図５（Ｄ）に示すような、光路長の異なる柱状光学部材を束ね、Ｚ方向に進むレーザビームの断面を分割する構成を、非干渉化素子４０として用いてもよい。光軸方向（Ｚ方向）の光路長差が時間コヒーレンス長以上となるように柱状光学部材を選択することにより、干渉性を消滅させることができる。
【００５３】
非干渉化素子４０により、干渉性を失ったレーザビーム束群が、ホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５で分割され形成されたレーザ光束群は、干渉することなくシリコン層５０上の共通の領域に照射され、そのとき図３（Ａ）に示すように、照射面において、ほぼ均一なエネルギ密度分布を有し、ある一方向に長い長尺ビームを形成する。このビームを走査し、結晶粒５２を成長させてもよい。
【００５４】
更に、非干渉化素子４０のかわりに、ホモジナイザ５に入射するレーザビームの空間コヒーレンス長を、アレイレンズ２０及び２２のシリンドリカルレンズピッチよりも小さくする光学素子を用い、同様の効果を得ることもできる。たとえば、エキスパンダに逆方向からビームを入射させるなど、ビーム径を変化させることで、レーザビームの空間コヒーレンス長をシリンドリカルレンズピッチよりも小さくする。空間コヒーレンス長が２つのアレイレンズのシリンドリカルレンズピッチよりも小さいレーザビームをホモジナイザ５に入射させると、ホモジナイザ５で形成されたレーザ光束群は、干渉することなくシリコン層５０上の共通の領域に照射される。照射面においては、ほぼ均一なエネルギ密度分布を有し、ある一方向に長い長尺ビームが形成される。このビームを走査し、結晶粒５２を成長させることも可能である。
【００５５】
図６は、第２の実施例によるシリコン結晶化方法に用いるレーザアニール装置の概略図である。図６に示すレーザアニール装置は、図１に示すものにレーザ光源４１と、レーザ光源４１の光路上に着脱可能な反射ミラー４２とを加えたものである。他の構成はすべて等しい。
【００５６】
まず、反射ミラー４２を図示のレーザアニール装置から取り外しておく。レーザ光源１、たとえば波長変換ユニットを含む全固体レーザ発振器、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザから、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）が出射する。第１の実施例と全く同様に、出射したレーザビームは、基板７のシリコン層５０に、図２（Ｃ）に示したような種結晶５１を形成する。
【００５７】
次に反射ミラー４２をレーザ光源４１、たとえばＮｄ：ＹＬＦレーザの光路上に配置し、Ｎｄ：ＹＬＦレーザから２倍高調波（波長５２７ｎｍ）を出射させる。このレーザビームの空間コヒーレンス長は、たとえば２．４ｍｍである。レーザビームは、反射ミラー４２により、レーザ光源１から出射されたＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波と同一光軸上を進む。光路長も同一とすることができる。
【００５８】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波と同一の光路上に出射されたレーザビームは、ビームのエネルギを調整するアッテネータ３、必要に応じて配置される反射ミラー２、レーザビームのビーム径を拡大するテレスコープ４を経て、ホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５のアレイレンズ２０及び２２のシリンドリカルレンズピッチは、先述のように、ともに、たとえば５ｍｍである。レーザ光源４１から出射したレーザビームの空間コヒーレンス長はこれらよりも小さい。したがって、アレイレンズ２０及び２２で形成されたレーザ光束群は干渉せずに、基板７のシリコン層５０上に照射される。第１の実施例と同様に、照射されたレーザビームは、図３（Ａ）に示すように、照射面において、ほぼ均一なエネルギ密度分布を有する長尺ビームを形成する。ビームは基板７上を走査し、種結晶５１をシリコン層５０の面内方向に成長させる。
【００５９】
以上、第１及び第２の実施例について、説明を行った。各実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を用い、照射面においてほぼ均一なエネルギ密度分布を有する長尺部分を形成し、種結晶を基点として結晶粒を成長させた。結晶粒を成長させるレーザビームとしては、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）等、アモルファス相シリコンの光吸収係数が結晶相シリコンのそれより大きくなる波長帯のレーザビームであればよい。３５０ｎｍより大きく８００ｎｍより小さい波長帯であれば、アモルファス相シリコンの光吸収係数が結晶相シリコンのそれより大きくなる。このような可視領域のレーザビームを用いることにより、エネルギ密度における広いプロセスマージンを確保することができる。また、全固体レーザを光源に用いた場合、エネルギ安定性、光軸安定性を改善することができ、高スループットが得られる。
【００６０】
図７（Ａ）は、ガラス基板５５上に、たとえば酸化シリコンで形成された下地層５４が積層され、その上にアモルファス相のシリコン層５０が離散的な島状に積層されている基板の概略を示す断面図である。第１及び第２の各実施例において、加工対象物に図７（Ａ）に示すような基板を用いることもできる。
【００６１】
この基板に、照射面において図２（Ａ）に示すようなエネルギ密度分布を形成するレーザ光束群を照射する。照射は、スポット状の高エネルギ密度の部分（ピーク部分）が、離散的に形成された島状シリコン層５０の各々に入射するように行う。
【００６２】
図７（Ｂ）は、各島状シリコン層５０に、種結晶５１が形成された基板の概略を示す断面図である。種結晶５１は、スポット状の高エネルギ密度部分がシリコン層５０に照射され、照射された箇所のシリコン層５０が溶融し、冷却され固化することで生じる。この後、種結晶５１を基点として、シリコン層５０の面内方向に、結晶粒を成長させる。図７（Ａ）に示すような、アモルファス相のシリコン層５０が離散的に積層されている基板を用い、結晶粒の位置、大きさ、及び結晶粒界の位置を制御することができる。
【００６３】
第１及び第２の実施例においては、ホモジナイザを用いて干渉性を有するレーザ光束群を発生させ、図２（Ａ）に示すように、照射面内において、規則的な位置にスポット状の高エネルギ密度部分を形成した。このようなレーザ光束群を発生させるために、干渉素子を用いることもできる。
【００６４】
図８（Ａ）は、干渉素子４５の断面の一例を示す概略図である。干渉素子４５は、入射したレーザビームからレーザ光束群を発生させ、照射面において干渉させることによって、照射面の規則的な位置にスポット状の高エネルギ密度部分を形成することができる。干渉素子４５をホモジナイザのかわりに用い、シリコン層５０の規則的な位置に種結晶５１を形成してもよい。
【００６５】
図８（Ｂ）を参照する。干渉素子を用いて発生させたレーザ光束群を共通の領域に照射し、照射面において、エネルギ密度がほぼ均一な（トップフラット形状の）長尺部分を複数生じさせることも可能である。図８（Ｂ）には、エネルギ密度がトップフラット形状の長尺部分が、Ｘ方向を幅方向とし、Ｙ方向を長さ方向とする３つの合同な矩形として形成されている例を示した。図２（Ｂ）に示した、規則的な位置に種結晶５１が形成されているシリコン層５０に、干渉素子により形成されたレーザ光束群を照射し、照射面において、図８（Ｂ）に示すようなエネルギ密度分布を形成する。
【００６６】
図８（Ｃ）は、シリコン層５０の平面図である。エネルギ密度がほぼ均一である矩形部分が照射される位置を、点線で表した。矩形部分の幅方向の中央に種結晶が位置するように、レーザ光束群を照射する。
【００６７】
レーザ照射は、重複照射によって同一位置に何回か繰り返し行う。所定の照射が終了すると、ステージ６によりシリコン層５０が移動され、矩形部分が他の種結晶を含むように、レーザ光束群が照射される。照射されたレーザ光束群は、種結晶５１を完全には溶融させることなく、シリコン層５０のアモルファス部分は溶融させ、各種結晶５１を基点として結晶粒５２を、シリコン層５０の面内方向に成長させる。種結晶５１の一つ一つを基点として成長していった結晶粒５２は、結晶粒界５３を形成する。このようにして、規則的な位置と大きさを有する結晶粒を形成することができる。
【００６８】
図８（Ｄ）は、各結晶粒が離散的に形成されたシリコン層５０を示す概略的な平面図である。照射面において、図８（Ｂ）に示したようなビームエネルギ密度を形成するレーザ光束群を照射し、各結晶粒が隣接しない構造に結晶成長させることもできる。
【００６９】
また、第１及び第２の実施例においては、ホモジナイザを用い、照射面において、スポット状の高エネルギ密度部分が一定のパターンで形成されるように、レーザ光束群を干渉させた。このパターンは、ホモジナイザの光学特性、たとえばシリンドリカルレンズピッチを変えることにより制御することができる。したがって、アモルファス相のシリコン層に形成される種結晶の位置、ひいては結晶成長によりシリコン層に形成される結晶粒の位置、大きさ、結晶粒界の位置を、制御することが可能である。
【００７０】
また、第１及び第２の実施例において、結晶粒は規則的な位置に形成され、また、結晶性が低下しやすい種結晶を結晶粒の端部に位置させることができた。したがって、各実施例で説明したシリコン結晶化方法は、たとえば、アクティブマトリックス液晶ディスプレイに用いられる薄膜トランジスタ作製に適したシリコン結晶化方法であるということができる。また、上記のシリコン結晶化方法は、たとえばシリコン・ゲルマニウム薄膜トランジスタ及び他の薄膜トランジスタ、高誘電体メモリ、磁気メモリ、太陽電池等の製作に利用することができる。
【００７１】
更に、各実施例においては、ステージで基板を移動させることによって、シリコン層上に、照射面におけるエネルギ密度を長尺のトップフラット形状とするレーザ光束群を走査した。同じ効果を、たとえばガルバノスキャナを用い、シリコン層上にレーザ光束群を走査することで得ることもできる。
【００７２】
なお、長尺状に集光されたレーザ光束群を、長尺集光部の幅方向に走査することにより、大面積の結晶膜を作製することができる。
【００７３】
各実施例に示したシリコン結晶化方法は、マスクを使用するシリコン結晶化方法に比べコストを低減させることができ、アモルファスシリコン層の下地層に加工を施して行うシリコン結晶化方法に比べると、プロセス数を低減させることができる。
【００７４】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定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は自明であろう。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリコン膜の規則的な位置にシリコン結晶粒を成長させることができる。また、形成されるシリコン結晶粒の大きさや位置を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるシリコン結晶化方法に用いるレーザアニール装置の概略図であり、（Ｂ）は、そのレーザアニール装置に使用されるホモジナイザを示す概略図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第１の実施例によるシリコン結晶化方法を説明するための図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第１の実施例によるシリコン結晶化方法を説明するための図である。
【図４】第１の実施例によるシリコン結晶化方法に用いるレーザアニール装置の概略図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１の実施例によるシリコン結晶化方法に用いるレーザアニール装置に使用される非干渉化素子の構成例を示す概略図である。
【図６】第２の実施例によるシリコン結晶化方法に用いるレーザアニール装置の概略図である。
【図７】（Ａ）は、シリコン層が離散的に形成されている基板の概略を示す断面図であり、（Ｂ）は、そのシリコン層に種結晶が形成された基板の概略を示す断面図である。
【図８】（Ａ）は干渉素子の断面を示す概略図であり、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、干渉素子を用いて行うシリコン結晶化方法を説明するための図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、マスクを使用した、レーザアニールによるシリコン結晶化方法の従来例を説明するための図である。
【図１０】基板の下地構造を工夫して行う、レーザアニールによるシリコン結晶化方法の従来例を説明するための図である。
【図１１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、レーザビームの干渉を利用して行う、レーザアニールによるシリコン結晶化方法の従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
１　レーザ光源
２　反射ミラー
３　アッテネータ
４　テレスコープ
５　ホモジナイザ
６　ステージ
７　基板
８　プロセスチャンバ
９　不活性ガスライン
１０　排気系
１１　噴射部
２０　アレイレンズ
２１　シリンドリカルレンズ
２２　アレイレンズ
２３　シリンドリカルレンズ
２４　コンデンサレンズ
２５　レーザビーム
２６　レーザ光束
４０　非干渉化素子
４０ａ、ｂ　非干渉化素子
４１　レーザ光源
４２　反射ミラー
４５　干渉素子
５０　シリコン層
５１　種結晶
５２　結晶粒
５３　結晶粒界
５４　下地層
５５　ガラス基板
６０　アモルファスシリコン層
６１　下地層
６２　ガラス基板
６３　マスク
６４　スリット
６５　種結晶
６６　結晶粒
６７　結晶粒界
【図１】
2004103794.tif 000003
【図２】
2004103794.tif 000004
【図３】
2004103794.tif 000005
【図４】
2004103794.tif 000006
【図５】
2004103794.tif 000007
【図６】
2004103794.tif 000008
【図７】
2004103794.tif 000009
【図８】
2004103794.tif 000010
【図９】
2004103794.tif 000011
【図１０】
2004103794.tif 000012
【図１１】
2004103794.tif 000013