(57)【要約】    【課題】簡便で、コストを低減できるとともに、結晶粒界の制御を行うことができる表面波による半導体薄膜の製造方法及び半導体薄膜を提供する。    【解決手段】基板上の半導体薄膜表面に予備的な波動を発生させ、その状態下で、直線偏光レーザ光を照射することにより、その半導体薄膜表面に空間的に周期的な結晶粒界を広範囲かつ安定に形成する。【選択図】図１
2005072165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の半導体薄膜表面に予備的な波動を発生させ、その状態下で、直線偏光レーザ光を照射することにより、その半導体薄膜表面に空間的に周期的な結晶粒界を広範囲かつ安定に形成することを特徴とする表面波による半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記予備的な波動の発生を物質表面に予備レーザ光を照射することにより生成することを特徴とする表面波による半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記予備的な波動の発生を超音波により生成することを特徴とする表面波による半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記半導体薄膜がＳｉ薄膜であることを特徴とする表面波による半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記Ｓｉ薄膜が多結晶Ｓｉ薄膜であることを特徴とする表面波による半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
請求項１、２、３、４又は５記載の半導体薄膜の製造方法を用いることを特徴とする半導体薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面波による半導体薄膜の製造方法及び半導体薄膜に係り、特に、ガラスなどの非晶質基板上に結晶粒界位置が制御された結晶粒径の大きな多結晶Ｓｉ薄膜を製造する方法及びその多結晶薄膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フラットパネルディスプレイの高精細化、大画面化、高機能化などのために、ガラスなどの非晶質基板上に結晶粒界位置が制御された結晶粒径の大きい多結晶Ｓｉ薄膜を形成することが求められている。従来は、一旦ガラス基板上に形成した非晶質Ｓｉ薄膜をエキシマパルスレーザ照射などにより、短時間に溶融固化させて、多結晶Ｓｉ薄膜を形成していた。
【０００３】
図６は従来の表面波による半導体薄膜を示す図であり、図６（ａ）はその平面模式図、図６（ｂ）その電子顕微鏡写真である。
【０００４】
この方法では、確かに結晶粒径は大きくなるが、結晶粒界位置の制御や、結晶粒の大きさの制御までは不可能である〔図６（ａ）参照。なお、矢印１０１は結晶の成長方向、１０２は粒界を示している〕。そのため、レーザ照射前の試料に加工を施したり、レーザをスプリットさせ、そのスプリットさせた２つのビームによる干渉効果により、試料表面上に周期的な温度分布を形成し、結晶粒界位置や結晶粒の大きさを制御するようにしてきた。
【０００５】
また、本発明の先行技術として以下の特許文献１〜４が挙げられる。
【０００６】
特に、この特許文献１には非晶質半導体膜へのレーザ照射により一旦多結晶半導体を作製した後、さらに高エネルギーのレーザを照射して、前のレーザ照射によって形成された結晶粒を融着させて、さらに大きな結晶粒を作製するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−８１６４２号公報
【特許文献２】特開平７−１０７００号公報
【特許文献３】特開２００３−１２４１３６号公報
【特許文献４】特開２００１−３０８００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の半導体薄膜の製造方法では、レーザ照射前に試料の加工が必要なことや、レーザをスプリットさせる付加的な光学系が必要なことなど、工程数の増加や煩雑さを伴い、コストがかかるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑み、簡便で、コストを低減できるとともに、結晶粒界の制御を行うことができる表面波による半導体薄膜の製造方法及び半導体薄膜を提供することを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体薄膜の製造方法において、基板上の半導体薄膜表面に予備的な波動を発生させ、その状態下で、直線偏光レーザ光を照射することにより、その半導体薄膜表面に空間的に周期的な結晶粒界を広範囲かつ安定に形成することを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記予備的な波動の発生を物質表面に予備レーザ光を照射することにより生成することを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記予備的な波動の発生を超音波により生成することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記半導体薄膜がＳｉ薄膜であることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔４〕記載の表面波による半導体薄膜の製造方法において、前記Ｓｉ薄膜が多結晶Ｓｉ薄膜であることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕、〔４〕又は〔５〕記載の半導体薄膜の製造方法を用いることを特徴とする半導体薄膜。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００１６】
（Ａ）試料構造の工夫や、ビームスプリット光を用いなくとも、レーザ照射により半導体薄膜表面に衝撃波を発生させておき、その表面に直線偏光レーザビームを照射するだけで、照射領域全面に確実に周期的結晶粒界を発生させしかも、結晶粒を０．５μｍ以上に増加させ、それにより結晶成長方向が制御されるため、結晶粒径と結晶粒界位置を空間周期的に制御することができる。
【００１７】
（Ｂ）試料構造の工夫や、ビームスプリット光を用いなくとも、超音波振動装置による超音波を半導体薄膜に発生させておき、その表面に直線偏光レーザビームを１回照射するだけで、照射領域全面に確実に周期的結晶粒界を発生させ、それにより結晶成長方向が制御されるため、結晶粒径と結晶粒界位置を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
半導体薄膜の製造方法において、基板上の半導体薄膜表面に予備的な波動を発生させ、その状態下で、直線偏光レーザ光を照射することにより、その半導体薄膜表面に空間周期的な凹凸あるいは周期的な結晶粒界を広範囲かつ安定に形成する。その方法は簡便であり、コストを低減できる。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００２１】
２０年以上前から、波長λの直線偏光レーザビームを、入射角θi で物体表面に繰り返し照射すると、試料表面に空間周期Λの凹凸が形成され、その空間周期Λとレーザ波長λとの間には、ｎを入射媒質（試料ではない）の屈折率として、
Λ＝λ／ｎ（１±ｓｉｎθi ）                                …（１）
というＲａｙｌｅｉｇｈの条件式が存在することが知られている。
【００２２】
レーザ照射前の試料の表面凹凸は高さも小さくランダムではあるが、１度レーザ照射を行うと、ランダムな表面凹凸により生じた反射、屈折回折光と入射レーザ光との間に、上記した（１）式の条件で共鳴的な干渉作用が起こり、照射表面のレーザビーム強度が空間周期Λで周期的に変調され、これにより、わずかではあるが空間周期Λの表面凹凸が形成される。さらに、レーザ照射を何度も繰り返すと正帰還現象が起こり、観測し得る周期的表面凹凸が形成される。この空間周期Λでレーザビーム強度が変調されることを利用して、直線偏光パルスレーザを非晶質Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）薄膜に繰り返し照射すれば、あるパルス数で、結晶粒径及び結晶粒界が空間周期Λで制御よく形成できる。
【００２３】
この現象による半導体薄膜の平面模式図を図１（ａ）に、その電子顕微鏡写真を図１（ｂ）に示す。図２は直線偏光パルスレーザにより形成した周期的温度分布によるＳｉ薄膜の溶融結晶化の概念図である。
【００２４】
図１において、１は結晶の成長方向（矢印）、２は制御された粒界を示す。
【００２５】
溶融Ｓｉを良好に結晶固化成長させるためには、結晶核の発生場所を規制し、固液界面の移動方向を制御する必要がある。Ｓｉ薄膜（非晶質Ｓｉ薄膜）１２はガラス基板１１上にあらかじめ堆積されている。
【００２６】
ここで、コヒーレント直線偏光パルスレーザ１４を入射角θi でＳｉ薄膜（非晶質Ｓｉ薄膜）１２に照射すると、このＳｉ薄膜（非晶質Ｓｉ薄膜）１２表面では、周期幅Ｌ＝λ／（１−ｓｉｎθ1 ）の空間周期的温度分布が形成される。但し、上記（１）式において、ｎ＝１とした真空の場合である。その温度分布を用いて、一旦堆積したＳｉ薄膜１２を加熱溶融し、結晶化させる。結晶化は低温部から高温部へと起こり、結果として周期幅Ｌの結晶膜を得ることができる。このときの空間周期的温度分布は、紙面に平行に正弦波状に高低差があり、奥行き方向には温度差が無い均一なものである。Ｓｉの結晶核は、この温度分布の極小温度点から発生し、そこから固液界面が極大温度部へと移動して、最終的にはストライプ状に成長してきた結晶と結晶とが衝突して（図２中の矢印１５は結晶の成長方向を示す）、温度分布と同じ空間周期幅Ｌで結晶粒界１３が紙面の奥行き方向に平行に整列する。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル部をこの結晶粒界１３に平行に形成すれば、キャリアはほとんど散乱されることが無いため、移動度は単結晶並みの値が得られる。
【００２７】
しかし、このためには、数パルスのレーザ照射が必要であり、ランダムな表面凹凸から始める１パルス照射では、共鳴作用が小さいために結晶粒径及び粒界位置の制御はできない。そこで、あらかじめ、溶融結晶化レーザビームを照射する前に、レーザビームを予備照射して、物質表面に衝撃波を形成できれば、つまり擬似的に周期的な表面凹凸を形成できれば、１、２パルスのレーザ照射で結晶粒径と結晶粒界位置を空間周期的に制御できる。
〔具体的実施例〕
擬似的周期的表面凹凸を形成するために、溶融結晶化のためのメイン照射（Ｍａｉｎ−ｓｈｏｔ）の前に、その領域近くに予備照射（Ｐｒｅ−ｓｈｏｔ）をメイン照射の１０ｎｓ前に行う。但し、この場合、照射スポットの形を半月（Ｈａｌｆ）形状とする。この予備照射により、試料表面上に弾性表面波が生じ、それがメイン照射領域に伝搬して、メイン照射領域に擬似周期的表面凹凸が形成される。
【００２８】
ここで、予備照射及びメイン照射のレーザスポットについて詳細に説明すると、図３（ａ）において、２１は予備照射の半月形状のレーザ照射領域、２２は予備照射の半月形状のレーザ遮蔽領域、２３はメイン照射の半月形状のレーザ遮蔽領域、２４はメイン照射の半月形状のレーザ照射領域を示しており、予備照射及びメイン照射のそれぞれのレーザは半月形状の穴を有するスリット板（図示なし）を介してＳｉ薄膜に照射するようにしている。
【００２９】
上記したように、それぞれのレーザスポットの半分が欠けているが、照射領域は、互いに反対側である。メイン照射の実際の照射領域２４は、図３（ｂ）に示されるように、予備照射の照射領域２１と近く、半月形状スポットの直線側は、予備照射領域からメイン照射領域へと効率良く弾性波を伝搬するために、互いに対向している。
【００３０】
ガラス基板上に厚さ６０ｎｍで堆積した非晶質Ｓｉ膜に１５０ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度Ｆｐでメイン照射を行った結果を図４に示す。なお、レーザとしては、波長５３２ｎｍ、パルス幅６−７ｎｓ、パルス照射の繰り返し周波数１０Ｈｚ、ビーム径１０ｍｍのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザを用いた。図４の縦軸には、周期的結晶粒界の形成割合（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ａｒｅａ  Ｒａｔｉｏ）を、横軸には、照射パルス数を示す。図の●は予備照射無し（Ｎｏ  Ｐｒｅ−ｓｈｏｔ）の半月形状メイン照射、▲は予備照射あり（予備照射：エネルギー密度Ｆｐ＝５００ｍＪ／ｃｍ2 ）の半月形状メイン照射を示す。図４から分かるように、１パルスでは、周期的結晶粒界は両者とも全く形成されていないが、２パルスからは、予備照射がある▲の方が、周期的結晶粒界の形成割合が１００％に近くなり、予備照射無し●に大きく差を付けている。このことから、予備照射による擬似的周期的表面凹凸の形成が周期的結晶粒界の形成に有効に作用していると言える。
【００３１】
なお、１パルスで制御できないのは、予備照射をメイン照射の１０ｎｓ前に照射するため、メイン照射までに予備照射で発生した衝撃波がメイン照射領域に到達しないためである。もし、予備照射とメイン照射の間隔を１μｓ以上あければ、１パルスから形成できるものと考えている。
【実施例２】
【００３２】
この実施例では、あらかじめ、溶融結晶化レーザビームを照射する前に、レーザビームを予備照射するのに代えて、擬似的に周期的な表面凹凸を超音波振動子等による表面波で形成することにより、１パルスで結晶粒径と結晶粒界位置を空間周期的に制御できるようにしたものである。
【００３３】
すなわち、レーザ照射前に超音波振動子により試料表面に表面波が生成されることになり、これが、溶融結晶化のためのレーザビームにとっては、擬似的周期的表面凹凸となり、それらの両者の共鳴的干渉作用により、照射表面上のレーザビーム強度が周期的に変調されて、試料表面では周期的温度分布が形成される。その結果、溶融結晶化による結晶成長方向が制御され、結晶粒径や結晶粒界位置が制御される。
〔具体的実施例〕
図５に示すように試料３１を超音波振動子３２に取付け、溶融結晶化のレーザ照射前に、試料３１表面に超音波振動子３２で擬似凹凸を形成する。ここでは、周波数２８ｋＨｚ（公称値）、パワー２３Ｗの超音波振動子を用いた。その後溶融結晶化のレーザ照射をエネルギー密度Ｆｐを１７０ｍＪ／ｃｍ2 で行ったところ、１パルスだけで、全照射領域に対する周期的結晶粒界の形成割合が８１％となった。これは超音波振動子３２を用いない場合の０％と明らかに異なり、超音波振動子３２を用いる効果が現れた。なお、この周波数（２８ｋＨｚ）では、弾性定数から計算される弾性表面波の波長は、３５ｃｍ程度であり、上記した（１）式で求められる空間周期Λとは程遠い。すなわち、上記（１）式では、レーザビーム入射角θi ＝０とすると、空間周期Λ≒λとなり、空間周期Λが殆ど入射パルスレーザの波長λと同じになる。これは、試料３１が無限に大きくないこと、試料３１が超音波振動子３２に固定されていることなどの理由により、高次の波長が形成されたためと考えられる。なお、図５において、３３は超音波振動子３２の電源コード、３４はレーザビームである。
【００３４】
要するに、本発明によれば、
（１）溶融結晶化のメインレーザ照射の１０ｎｓ〜１μｓ前に、メインレーザ照射を行う領域の近くに予備照射（ｐｒｅ−ｓｈｏｔ）を行う。照射スポットの形は半月（ｈａｌｆ）形状とすることが望ましい。
【００３５】
あるいは、
（２）溶融結晶化のレーザ照射の前に、例えば、数十ｋＨｚ（２０〜３０ｋＨｚ）の超音波発生装置などの振動子により物質表面に擬似的に周期的な表面波（表面凹凸）を発生させておく。
【００３６】
その後、その表面に直線偏光レーザを一回照射する。その結果、照射領域全面に確実に、結晶粒を０．５μｍ以上に増加させ、結晶粒界位置を制御することが可能になる。
【００３７】
このように構成したので、本発明は、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の高精細化、大画面化、高機能化等に多大な貢献をなすものであり、その効果は著大である。
【００３８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の表面波による半導体薄膜の製造方法は、電子デバイス、半導体、表面加工技術分野に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による半導体薄膜の平面模式図（ａ）及びその電子顕微鏡写真（ｂ）である。
【図２】直線偏光パルスレーザにより形成した周期的温度分布によるＳｉ薄膜の溶融結晶化の概念図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す半導体薄膜上へのレーザスポットの模式図である。
【図４】本発明の第１実施例を示すガラス基板上に厚さ６０ｎｍで堆積した非晶質Ｓｉ膜に１５０ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度でメイン照射を行った結果を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す予備的な表面波を発生させる超音波振動子を用いた半導体薄膜の製造装置を示す斜視図である。
【図６】従来の半導体薄膜の平面模式図（ａ）及びその電子顕微鏡写真（ｂ）である。
【符号の説明】
【００４１】
１    結晶の成長方向（矢印）
２    制御された粒界
１１    ガラス基板
１２    Ｓｉ薄膜（非晶質Ｓｉ薄膜）
１３    結晶粒界
１４    コヒーレント直線偏光パルスレーザ
２１    予備照射の半月形状のレーザ照射領域
２２    予備照射の半月形状のレーザ遮蔽領域
２３    メイン照射の半月形状のレーザ遮蔽領域
２４    メイン照射の半月形状のレーザ照射領域
３１    試料
３２    超音波振動子
３３    超音波振動子の電源コード
３４    レーザビーム
【図１】
2005072165.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005072165.tif 000006
【図５】
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【図６】
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