(57)【要約】【課題】  レーザ再結晶化方式で薄膜半導体を製造する際に、膜厚による制限を受けず、なおかつ、安定して大きな結晶粒径の多結晶シリコン膜を形成することができるようにする。【解決手段】  薄膜半導体の製造方法は、可視光域に波長を有する第１のパルスレーザ光２２を被照射物の表面に線形状に集光して、この線形状の照射領域３５の幅方向に次のタイミングの照射領域３５を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射して上記被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含み、この多結晶化工程は、第１のパルスレーザ光２２が第１の照射領域３５に照射されている間または照射される前に第１の照射領域３５に部分的に重なる第２の照射領域３６に紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光２３を照射する。【選択図】        図８
2005072183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光パルスレーザを被照射物の表面に線形状に集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射して前記被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含み、
前記多結晶化工程は、前記可視光パルスレーザが第１の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第１の照射領域に部分的に重なる第２の照射領域に紫外光パルスレーザを照射する、薄膜半導体の製造方法。
【請求項２】
前記被照射物を一方向に相対的に移動させながら、前記第２の照射領域が前記第１の照射領域に比べて前記被照射物の進行方向後ろ側に位置するように、前記可視光パルスレーザおよび前記紫外光パルスレーザを照射する、請求項１に記載の薄膜半導体の製造方法。
【請求項３】
前記可視光パルスレーザとしてＮｄ：ＹＡＧの第２高調波を用い、前記紫外光パルスレーザとしてＮｄ：ＹＡＧの第２高調波よりもさらに波長の短い高調波を用いる、請求項１または２に記載の薄膜半導体の製造方法。
【請求項４】
被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成するために、可視光パルスレーザを前記被照射物の表面に線形状に集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射する可視光パルスレーザ照射手段と、
前記可視光パルスレーザが第１の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第１の照射領域に部分的に重なる第２の照射領域に紫外光パルスレーザを照射する紫外光パルスレーザ照射手段とを備える、薄膜半導体の製造装置。
【請求項５】
前記被照射物を一方向に相対的に移動させる被照射物移動手段と、
前記第２の照射領域が前記第１の照射領域に比べて前記被照射物の進行方向後ろ側に位置するように設定する照射領域差別化手段とを備える、請求項４に記載の薄膜半導体の製造装置。
【請求項６】
前記可視光パルスレーザとしてＮｄ：ＹＡＧの第２高調波を照射し、前記紫外光パルスレーザとしてＮｄ：ＹＡＧの第２高調波よりもさらに波長の短い高調波を照射することができる、請求項４または５に記載の薄膜半導体の製造装置。
【請求項７】
前記可視光パルスレーザと前記紫外光パルスレーザとが同一の光軸上を進むように前記可視光パルスレーザおよび前記紫外光パルスレーザを伝送するレーザ伝送部と、
前記レーザ伝送部において前記可視光パルスレーザと前記紫外光パルスレーザとの出射角度に差をつけるために前記光軸を挟んで互いに対称な位置関係で配置されたプリズムとを備える、請求項４から６のいずれかに記載の薄膜半導体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体の製造方法および製造装置に関するものである。特に、レーザ照射を用いて再結晶化を行なう技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
絶縁基板の表面に多結晶シリコン膜を半導体層として形成し、この半導体層を従来の半導体基板の代わりとして利用するような多結晶シリコン薄膜トランジスタが知られている。このような多結晶シリコン薄膜トランジスタにおいては、シリコンの結晶粒界がキャリアの移動度を制限するため、なるべく大粒径の多結晶シリコンを均一に形成することが望ましい。しかしながら、出発物質となるアモルファスシリコンにレーザを照射することで加熱して溶融させ、冷却の際に再結晶化を行なうという、いわゆるレーザ再結晶化方式では、結晶成長を促すシリコン溶融部の温度制御が困難であった。そのため、大粒径結晶を均一に、かつ安定して形成することは困難であった。
【０００３】
これに対して、第一に、特開２０００−１２４８４号公報（特許文献１）に開示された技術がある。特許文献１では、可視域に波長を有する第１のパルスレーザ光と、第１のパルスレーザ光をその第２高調波に波長変換することによって生じる紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光とを重畳した状態でアモルファスシリコンに照射し、アモルファスシリコン上で、時間的かつ空間的に第２のパルスレーザ光が第１のパルスレーザ光に包含されるようにして、第２のパルスレーザ光で溶融したシリコンからの熱量の散逸を抑制することで溶融部の温度制御を行ない、比較的大粒径の多結晶シリコン膜を形成している。
【０００４】
第二に、特開２０００−２８６１９５号公報（特許文献２）に開示された技術がある。特許文献２では、可視光レーザであるＮｄ：ＹＡＧ２ωレーザビームを用い、幅方向にほぼガウス形状の光強度分布を有する細線状にレーザビームを集光し、アモルファスシリコン上である一定以上のエネルギー密度勾配をもつレーザビームとして照射している。この技術では、アモルファスシリコンでの吸収係数が低い可視レーザ光を採用することによって膜厚方向の温度勾配を抑制するとともに、幅方向での温度勾配を意図的に形成して１次元の横方向成長を生じさせている。このことにより、大粒径結晶列をもつ多結晶シリコン膜を得ている。
【特許文献１】特開２０００−１２４８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１の例では、第１のパルスレーザ光による加熱が重畳して溶融シリコンの冷却時間を長くすることにより結晶成長時間も長くなり、結晶は大きくなる。しかしながらアモルファスシリコンを溶融する第２のパルスレーザ光は紫外光であり、溶融したシリコン膜中に膜厚方向の温度勾配が生じるため、結晶は膜厚方向に成長する。そのため、結晶の大きさは膜厚に制限されてしまうという問題点があった。
【０００６】
上述の特許文献２の例では、可視光のレーザビーム（以下、「可視レーザ」という。）を用いているため、結晶は膜厚方向ではなく横方向に成長する。したがって、膜厚による制限は受けずに大粒径化を図ることができる。しかし、ビーム形状が幅方向にガウス形状の分布をもつため、ビームのガウス形状分布の両側の勾配部分で同時に横方向結晶成長が生じる。特許文献２の例でも一般的なレーザ再結晶化方式の場合と同様に、細線状レーザビームを幅方向に重ね合わせながら順次照射位置を移動させていくことで順次結晶化を行ない、アモルファスシリコン全面を結晶化していくが、進行方向前側の勾配部分で一旦形成された結晶部分では良質の多結晶シリコンが形成されているため、可視光の吸収は非常に少なく、第１のパルスレーザ光を単に照射しただけでは再度溶融するほどの熱量を与えることができない。このため、ガウス形状分布の勾配部分の両側でそれぞれ形成された多結晶シリコン列がそれぞれ独立に存在し、列間の結晶粒界の性質が悪いため、結晶粒径が大きくなった割にはキャリア移動度が高くならないという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明では、膜厚による制限を受けず、なおかつ、安定して大きな結晶粒径の多結晶シリコン膜を形成することができるような薄膜半導体の製造方法および製造装置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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に基づく薄膜半導体の製造方法は、可視光パルスレーザを被照射物の表面に線形状に集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射して上記被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含み、上記多結晶化工程は、上記可視光パルスレーザが第１の照射領域に照射されている間または照射される前に上記第１の照射領域に部分的に重なる第２の照射領域に紫外光パルスレーザを照射する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１，第２のパルスレーザ光の重ね合わせによって被照射物の表面が溶融するが、第２のパルスレーザ光を照射した部分はアモルファス化するので、スキャンを行なうことによって、所望の領域にきわめて良好な多結晶シリコン膜を形成することができる。特に、被照射物の全面にわたって横方向に成長した結晶に同一の結晶成長方向をもたせることができる。しかも、横方向成長の末端部分が再度溶融されて、それを起点に次の横方向成長が進むので、結晶成長がほぼ連続的となり、結晶性を非常に良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１〜図５を参照して、本発明に基づく薄膜半導体の製造方法および製造装置がどのような場面で用いられるかについて説明する。図１に示すように絶縁基板２０１の上面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、シリコン酸化膜などにより下地膜２０２を形成する。下地膜２０２は、絶縁基板２０１中の不純物がこれから形成する多結晶シリコン膜中に拡散するのを防止するバリアの役割を担うものである。さらにその上を覆うようにアモルファスシリコン膜２０３を形成する。
【００１１】
図２の矢印２０４に示すように、レーザ光として３５０ｎｍ以上の可視域の波長を有する第１のレーザ光および３５０ｎｍ未満の紫外域の波長を有する第２のレーザ光を照射する。このレーザ光照射は、アモルファスシリコン膜２０３を加熱し、溶融させる。こうして溶融したシリコンが冷却・固化する際に多結晶シリコン膜２０５が形成される。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、図３に示すように多結晶シリコン膜２０６をアイランド状にパターニングする。
【００１２】
図４に示すように、ゲート絶縁膜２０７としてシリコン酸化膜を形成し、さらにゲート電極２０８を形成する。図５に示すように、層間絶縁膜２１１としてシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成し、ソース電極２０９およびドレイン電極２１０を形成する。このようにして、多結晶シリコン膜２０６を半導体層とする薄膜トランジスタが作成される。
【００１３】
本発明が主に注目するのは、このうち、図１から図２にかけての工程、すなわち、アモルファスシリコン膜２０３にレーザ光を照射して一旦溶融させ、冷却・固化させることによって多結晶シリコン膜２０５を形成する工程である。以下、この工程について詳しく説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
（薄膜半導体の製造装置の概要）
図６を参照して、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置について説明する。このレーザアニール装置は、パルスレーザ光源１を備える。パルスレーザ光源１は、可視域に属する波長を有する第１のパルスレーザ光２を発生させるためのものである。第１のパルスレーザ光２は、具体的には発振波長５１５ｎｍのアルゴンパルスレーザ光である。被照射物９は図１に示したものであり、レーザ光が照射されることにより上面のアモルファスシリコン膜２０３が部分的に溶融し、再結晶化し、多結晶ポリシリコン膜を形成する。
【００１５】
パルスレーザ光源１から被照射物９までの光路に沿っては、集光レンズ１１、非線形光学素子１０、ベンドミラー１２、ビーム調整光学系１３および集光照射光学系８が、順に配列されている。非線形光学素子１０は、第１のパルスレーザ光２の一部を波長変換して、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光６を生成し、第２のパルスレーザ光６を第１のパルスレーザ光２と同軸上に重畳させて出射するためのものである。図６では表示の都合で非線形光学素子１０より右側では第１のパルスレーザ光２と第２のパルスレーザ光６とが平行な２本の直線で表されているが、実際にはこれら２つのレーザ光は光軸が同一となっている。
【００１６】
集光レンズ１１は、非線形光学素子１０に入射する第１のパルスレーザ光２の光強度を高め、非線形光学素子１０における紫外光への波長変換効率の向上を図るためのものである。ベンドミラー１２は、非線形光学素子１０から出射した第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６の進行方向を直角に折り曲げるためのものである。集光照射光学系８は、第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６を集光して被照射物９に照射するための集光手段である。被照射物９は、被照射物移動手段としてのステージ１４上に設置されている。ステージ１４は、上下、左右に移動できるようになっている。
【００１７】
非線形光学素子１０を出射した第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６は、ベンドミラー１２により直角に折り曲げられ、集光照射光学系８に入射する。これにより、第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６は、それぞれ線状に集光される。この製造装置では、第２のパルスレーザ光６の集光点が、被照射試料９上に位置するようにステージ１４によって被照射物９の高さが調整されている。
【００１８】
この製造装置におけるパルスレーザ光源１は、可視域にある発振波長５１５ｎｍのアルゴンレーザを用い、これをＱスイッチでパルス化することによって第１のパルスレーザ光２を発生させている。非線形光学素子１０には、β−ＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4、ベータバリウムボレイト）結晶が用いられている。非線形光学素子１０においては、波長５１５ｎｍの光である第１のパルスレーザ光２を受光して第１のパルスレーザ光２の２倍高調波である第２のパルスレーザ光６を発生させる際に位相整合条件が満たされるようにβ−ＢＢＯ結晶の表面がカットされている。したがって、第２のパルスレーザ光６は、波長２５８ｎｍの紫外光となる。また、図には示していないが非線形光学素子１０には温度および設置角度に応じた調整手段が設けられている。
【００１９】
この製造装置においては、パルスレーザ光源１、集光照射光学系８などの組合せによって、可視光パルスレーザを基板状の被照射物９の表面に線状に集光して、この長手状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射する可視光パルスレーザ照射手段を構成し、備えている。さらに、この製造装置は、パルスレーザ光源１、非線形光学素子１０、集光照射光学系８などの組合せによって、可視光パルスレーザが第１の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第１の照射領域に部分的に重なる第２の照射領域に紫外光パルスレーザを照射する紫外光パルスレーザ照射手段を構成し、備えている。
【００２０】
（薄膜半導体の製造方法）
図７〜図１６を参照して、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造方法について説明する。
【００２１】
この製造方法は多結晶化工程を含む。多結晶化工程においては、可視光パルスレーザである第１のパルスレーザ光２を、集光照射光学系８によって、基板状の被照射物９の表面に線形状に集光し、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして徐々に位置をずらしながら繰返し照射して被照射物９の表面に多結晶シリコン膜２０５（図２参照）を形成する。
【００２２】
ただし、この製造方法では、第１のパルスレーザ光２だけでなく、第２のパルスレーザ光６も照射されている。そこで、これら２つのパルスレーザ光の進行について詳しく説明する。
【００２３】
パルスレ一ザ光源１を出射した第１のパルスレーザ光２は、集光レンズ１１により集光され、非線形光学素子１０に入射する。非線形光学素子１０は、上述したように２倍高調波発生時に位相整合条件が満たされるようにカットされているため、非線形光学素子１０に入射した第１のパルスレーザ光２の一部は２倍高調波へと波長変換され、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光６となる。第２のパルスレーザ光６は、第１のパルスレーザ光２の光路に沿って発生するため、ウォークオフによる進行方向のずれを無視すれば、第２のパルスレーザ光６は、第１のパルスレーザ光２の同軸上に発生するものとみなすことができる。
【００２４】
非線形光学素子１０を出射した第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６は、同一のベンドミラー１２により直角に折り曲げられ、ビーム調整光学系１３に入射する。ビーム調整光学系１３は複数の円筒凸レンズおよび円筒凹レンズから構成されており、第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６のビーム径を拡大するとともに、ビーム広がり角を低減させる。
【００２５】
非線形光学素子１０から集光照射光学系８までは、可視光域に波長を有する第１のパルスレーザ光２と、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光６とが同一の光軸上を進むように両者を伝送するレーザ伝送部である。
【００２６】
集光照射光学系８に入射した第１のパルスレーザ光２および第２のパルスレーザ光６は、線形状に集光される。ここで、集光照射光学系８は、光軸に対して対称に設置された一対のプリズム８０を備える。このため、第１のパルスレーザ光２と第２のパルスレーザ光６との波長の違いにより、出射角度が異なるようになっている。本実施の形態では、このような集光照射光学系８の機能を利用して、第１のパルスレーザ光２の集光点と第２のパルスレーザ光６の集光点とをずらし、第２のパルスレーザ光６の集光点が常に被照射物９の進行方向後ろ側になるように照射する。第１のパルスレーザ光２と第２のパルスレーザ光６とは、波長が異なるため色収差を生じ、集光点が異なる。この製造方法においては、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光６の集光点が、被照射物９上に位置するようにステージ１４によって被照射試料９の高さが調整されている。
【００２７】
本実施の形態における製造方法によって被照射物９上に生じる第１のパルスレーザ光２と第２のパルスレーザ光６との各照射領域のパターンを図７に示す。第２のパルスレーザ光６の照射領域３６が、第１のパルスレーザ光２の照射領域３５に概ね半分重なっている。図７において、矢印７１は被照射物９が進行する向きを示す。矢印３４は、第１のパルスレーザ光２の照射領域３５が被照射物９の表面を結果的にスキャンする向きを示す。第２のパルスレーザ光６の照射領域３６は、被照射物９の進行方向後ろ側に位置するように集光されている。また、長手方向すなわち図７における左右方向に関しては、第２のパルスレーザ光６の照射領域３６が第１のパルスレーザ光２の照射領域３５と同じ長さとなっているか、あるいは好ましくは、より長くなっているのがよい。
【００２８】
図８（ａ），（ｂ）に、集光レンズ２１から出射する第１のパルスレーザ光２２がアモルファスシリコン膜２０３に照射されてアモルファスシリコン膜２０３が溶融する様子の概念図を示す。図８（ａ）における第１のパルスレーザ光２２は、第１のパルスレーザ光２（図６参照）が集光照射光学系８内に備えられた集光レンズ２１によって線形状に集光されたものである。
【００２９】
線形状となった第１のパルスレーザ光２２は、アモルファスシリコン膜２０３上の照射領域３５に照射されるが、そのときの第１のパルスレーザ光２２のエネルギー密度のプロファイル２４を図８（ａ）に示す。プロファイル２４は、図８（ａ）に示すように照射領域３５の長手方向に関してはほぼ変化せず均一である、いわゆるトップフラット状であり、照射領域３５の幅方向にはほぼガウス分布状である。
【００３０】
このようなプロファイル２４を有するアルゴンレーザによって熱処理を行なうと、アモルファスシリコンに対するアルゴンレーザの吸収係数が小さいために膜厚方向に対してはほぼ均一に加熱される。このレーザ照射によって生じるシリコン膜内の横方向温度分布は、線状ビームの幅方向にのみ形成される。このレーザ照射によって生じるシリコン膜内の横方向の温度勾配は、線形状の照射領域３５の幅方向に関してのみ形成される。したがって、図８（ｂ）に示すように、被照射物９の上面を覆うアモルファスシリコン膜２０３のうち、ある強度以上のビームが照射された領域が、深さ方向に関しては全体にわたって溶融する。すなわち、深さ方向では全体に広がった溶融部２６が線形状の局所的領域に生じる。その様子を別の角度から表現したものを図９（ａ）〜（ｃ）に示す。図９（ａ）に示すプロファイル２４のレーザ光が照射されることで、アモルファスシリコン膜２０３内は図９（ｃ）に示す温度分布となり、温度が融点を超えた領域においてのみアモルファスシリコンが溶融し、図９（ｂ）に示すように溶融部２６となっている。
【００３１】
深さ方向および線形状の照射領域３５（図８（ａ）参照）の長手方向には温度勾配が少ないため、結晶成長は照射領域３５の幅方向への１次元横方向成長となり、図１０（ａ），（ｂ）に示すように結晶粒径が数μm程度という大きな結晶粒２９が形成される。また、結晶成長の向きは照射領域３５の幅方向であるので、このレーザ照射によって形成される多結晶シリコン膜の結晶粒２９は、図１０（ａ）に示すように照射領域の幅方向３０に揃う。図１０（ｂ）は、こうして再結晶化された部分の断面図であるが、深さ方向には温度勾配がほとんどないため、膜厚方向に関しては全域が一様に結晶化している。
【００３２】
以上のような波長３５０ｎｍ以上のパルスレーザ光による熱処理における横方向の結晶成長の過程は、シリコン膜内での横方向に関する温度分布に大きく影響される。すなわち、照射される線形状のビームの幅方向のエネルギー密度分布に大きく影響される。レーザ光照射によりシリコン膜内に導入された熱は、一様に被照射物９の他の部分へと散逸していく。すなわち、シリコン膜内の横方向温度分布曲線は図１１（ｂ）に示すように一様に低下していく。したがって、図１１（ｂ）の矢印３２に示すように、先に温度が融点を下回った部分から、後で温度が融点を下回る部分に向かって横方向に結晶成長が進む。こうして、図１１（ａ）に示すように横方向成長結晶３１が形成される。
【００３３】
この横方向への結晶成長は、温度が冷えていく過程で自然核発生により成長した微結晶により、その行く手を遮られたときに止まる。したがって、横方向成長結晶３１として大きな粒径の結晶を成長させるためには、自然核発生が起こるまでの時間にできるだけ結晶粒が長く成長していることが好ましい。そのためには結晶成長速度が速いことが要求される。一般に、ある微小領域における結晶成長速度ｖはｖ＝ｋΔＴ／Δｘにより表される。ここで、ｋは速度定数、ΔＴは微小領域における温度差、Δｘは微小領域の幅である。すなわち、シリコン膜内の横方向に関して温度差が存在する場合、融点以上の温度である領域の温度分布が急峻な勾配であれば、結晶成長速度が速く、その結果、大きな結晶粒径の多結晶シリコン膜の形成が可能となる。このことを考慮すれば、シリコン膜内における横方向温度分布の急勾配化は、ターゲット表面における照射エネルギー密度分布を急勾配にすることにより実現できる。
【００３４】
第１のパルスレーザ光２２は、幅方向のプロファイルがガウス分布状になっているので、上述したアモルファスシリコン膜２０３表面における照射エネルギー密度分布の急勾配部分は幅方向の両側に合計２つ存在する。これら２つの部分でそれぞれ横方向成長する結晶は、幅方向の中心部分に向かって成長したものとなる。基板状の被照射物９の表面全体を多結晶シリコン膜２０５にするためには、被照射物９を図８（ａ）に示す矢印７１に示す向きに移動させることで、第１のパルスレーザ光２２が被照射物９の表面を相対的に矢印３４の向きにスキャンすることとなる。しかし、このスキャンにおいては、被照射物９上の任意の１点に注目すれば、この１点に対しては、第１のパルスレーザ光２２の照射領域３５（図８（ａ）参照）の被照射物９進行方向後ろ側および前側の合計２つの急勾配部分が順に通りすぎていくこととなる。したがって、照射領域３５のうち被照射物９の進行方向後ろ側の急勾配部分でできた結晶部分に再び被照射物９の進行方向前側の急勾配部分が照射され、結晶性が改変されることになる。しかも、３５０ｎｍ以上のレーザ光のシリコンにおける吸収率は、図１２に示すように、アモルファスシリコンに比べ結晶シリコンの部分では非常に低くなる。
【００３５】
したがって、直前の照射により形成されている結晶の質によって非常に複雑な温度プロファイルがシリコン膜中に形成されてしまい、均一な結晶が形成できなかった。
【００３６】
ところで、紫外波長を有する第２のパルスレーザ光をシリコン膜に照射した場合、吸収係数はアモルファスシリコンと結晶シリコンで概ね同程度であり、またその絶対値も３５０ｎｍ以上の可視波長の光に比べ非常に大きい。このため、照射されるシリコン膜の質によらず表面でエネルギーが吸収され、膜厚方向に大きな温度分布を生じるので、横方向成長は生じない。紫外波長を有する第２のパルスレーザ光の照射エネルギー密度と、照射後に形成される結晶状態との関係を図１３に示す。このグラフに示す結晶状態はそれぞれ光学顕微鏡で観察したものである。今回の実験では概ね６００ｍＪ／ｃｍ2を超える照射エネルギー密度では、照射前のシリコン膜の状態によらず、アモルファスシリコンとなっているという結果が得られている。
【００３７】
（薄膜半導体の製造装置の詳細）
本実施の形態における製造装置では、図８（ａ），（ｂ）に示すように、第１のパルスレーザー光２を線形状に集光した第１のパルスレーザー光２２と、第２のパルスレーザー光６を線形状に集光した第２のパルスレーザー光２３とを被照射物９に対して照射する仕組みとなっている。ただし、この製造装置は、被照射物９に対して可視域に波長を持つ第１のパルスレーザー光２２を照射すると同時に、被照射物９の進行方向後ろ側のプロファイル２４が急勾配となる部分に、紫外域に波長をもつ第２のパルスレーザ光６を線形状に集光した第２のパルスレーザ光２３をほぼ同時に照射できる構成となっている。図８（ａ）において矢印７１は被照射物９が実際に移動する向きを示し、矢印３４は、第１のパルスレーザー光２２および第２のパルスレーザー光２３が被照射物９の表面において相対的にスキャンする向きを示す。
【００３８】
なお、第２のパルスレーザ光２３の照射エネルギー密度は結晶化エネルギーより高いエネルギーとなっている。本実施の形態では、パルスレーザ光源１のエネルギーのうち約４０％を第２のパルスレーザに変換するようにすれば、この条件を満たすことができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、集光照射光学系８は、光軸に対して対称な形状に配置された１対のプリズム８０を備える。この１対のプリズム８０は、照射領域差別化手段である。この１対のプリズム８０をスライドさせることにより、ガウス分布状の第１のパルスレーザ２２のプロファイル２４のいずれの側の急勾配部分に対しても第２のパルスレーザ光２３が照射できるように構成されている。たとえば、基板である被照射物９全面を覆うように多結晶シリコン膜２０５を形成したい場合は、図１４に示すように被照射物９表面をジグザグ状にスキャンして全面照射を行なえばよいが、この場合、１ラインをスキャンする度にスキャンの向きが反転する。スキャンの向きを反転させるとき、プリズム８０をスライドさせて切り換えることにより第１のパルスレーザ２２の光軸に対して第２のパルスレーザ光２３の光軸のずれる向きを変更することができる。このような構成によって、第２のパルスレーザ光は、常に、第１のパルスレーザのプロファイル２４の被照射物９の進行方向後ろ側の急勾配部分に照射されるようにすることができる。
【００４０】
言い換えれば、本実施の形態における薄膜半導体の製造装置は、基板である被照射物９の表面に多結晶シリコン膜を形成するために、可視光パルスレーザである第１のパルスレーザ光２を被照射物９の表面に線形状に集光して第１のパルスレーザ光２２とし、この第１のパルスレーザ光２２の線形状の照射領域３５の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射する可視光パルスレーザ照射手段と、前記可視光パルスレーザが第１の照射領域３５に照射されている間に前記第１の照射領域に部分的に重なる第２の照射領域３６に紫外光パルスレーザである第２のパルスレーザ光２３を照射する紫外光パルスレーザ照射手段とを備える。
【００４１】
（作用・効果）
図８（ａ）におけるプロファイル２４，２５を拡大したところを図１５（ａ）に示す。このようにプロファイル２４，２５が重なるようにして照射されることによって、図１５（ｂ）に示すように、プロファイル２４単独の場合（図９（ａ）〜（ｃ）参照）に比べて広い範囲で溶融し、溶融部２６が形成される。このようなプロファイル２４，２５の重ね合わせでスキャンすることによって、図１６（ａ），（ｂ）に示すように、被照射物９の進行方向後ろ側（図１６（ａ），（ｂ）における右側）の急勾配部分での結晶化は起こらず、第２のパルスレーザ光を照射した部分はアモルファス化することがわかった。さらに被照射物９に対するスキャンが進行するにつれて、アモルファス化した部分に第１のパルスレーザー光２２の被照射物９の進行方向前側の急勾配部分が照射され、非常に均一な横方向成長結晶３１が形成された。こうしてスキャンを行なうことによって、所望の領域にきわめて良好な多結晶シリコン膜２０５（図２参照）を形成することができた。
【００４２】
さらに本実施の形態では、被照射物９の全面にわたって横方向に成長した結晶に同一の結晶成長方向をもたせることができる（図１０（ａ），（ｂ）参照）。一般に、結晶は成長するにしたがって結晶性が良くなる。本実施の形態では、横方向成長の末端部分に連なるアモルファス化した部分のシリコンが再度溶融されて、それを起点に次の横方向成長が進むので、結晶成長がほぼ連続的となり、結晶性が非常に良くなっていた。また、本実施の形態では、個々の結晶粒２９の末端部で形成される結晶粒界の隆起も低減されることがわかった。
【００４３】
このような薄膜半導体の製造装置を構成し、使用することによって、あるいは、このような薄膜半導体の製造方法を用いることによって、被照射物９の表面のアモルファスシリコン膜２０３を多結晶シリコン化することができ、しかも、得られる多結晶シリコン膜の結晶性を非常に良くすることができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図１７を参照して、本発明に基づく実施の形態２における薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置について説明する。図１７は、この薄膜半導体の製造装置においてパルスレーザ光源１として用いられる内部波長変換型固体レーザ装置１０１の概念図である。本実施の形態における薄膜半導体の製造装置では、内部波長変換型固体レーザ装置１０１が、パルスレーザ光源１として備わっているという点以外では、実施の形態１におけるもの（図６参照）と同様である。実施の形態１と重複する部分の説明は繰返さない。
【００４５】
図１７に示すように、内部波長変換型固体レーザ装置１０１は、活性媒質として用いられる固体素子である固体レーザ媒質１１５を備えている。固体レーザ媒質１１５としては、本実施の形態では、ネオジウムイオンがドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶が用いられている。固体レーザ媒質１１５の側方には固体レーザ媒質１１５を励起するための半導体レーザ素子１１６が配置されている。半導体レーザ素子１１６によって励起された固体レーザ媒質１１５は、波長１０６４ｎｍの近赤外域にある基本波レーザ光１１７を放出する。基本波レーザ光１１７の光路上には、基本波レーザ光１１７をパルス化するためのＱスイッチ１１８が設けられている。固体媒質レーザ１１５およびＱスイッチ１１８を間に挟むような位置関係で、第１の端部ミラー１２０と第２高調波取出しミラー１２２とが設けられている。第２高調波取出しミラー１２２による反射光が向かう先には第２の端部ミラー１２１が設けられている。第２高調波取出しミラー１２２と第２の端部ミラー１２１との間には、基本波レーザ光１１７を波長変換し、第２高調波を発生する第２高調波発生用非線形光学素子１１９が設けられている。この第２高調波発生用非線形光学素子１１９には、本実施の形態においてはＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4、リン酸チタン酸カリウム）結晶が用いられている。第２高調波発生用非線形光学素子１１９は、波長１０６４ｎｍの光を入射した際、２倍高調波発生時に位相整合条件が満たされるよう表面がカットされている。したがって、第２高調波は、波長５３２ｎｍの可視光となる。また、図には示していないが第２高調波発生用非線形光学素子１１９には温度および設置角度の調整手段が設けられている。
【００４６】
この内部波長変換型固体レーザ装置１０１の内部では、第１の端部ミラー１２０を一端とし、第２の端部ミラー１２１を他端とした共振器が構成されており、その共振器の光路上にはＱスイッチ１１８、固体媒質レーザ１１５、第２高調波取出しミラー１２２が配置されている。第２高調波発生用非線形光学素子１１９もまた、この共振器の内部の光路上に設けられており、共振器内部波長変換手段を構成している。第１の端部ミラー１２０には、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光１１７に対し全反射を起こさせる全反射コーティングが施されている。第２の端部ミラー１２１には、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光１１７と波長５３２ｎｍの第２高調波との両者に対し全反射を起こさせる全反射コーティングが施されている。第２高調波取出しミラー１２２においては、光軸を折り曲げ、なおかつ第２高調波を共振器外部に取り出すために、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光１１７に対しては全反射し、波長５３２ｍの第２高調波に対しては全透過となるように２波長コーティングが施されている。第２高調波取出しミラー１２２を挟んで、第２高調波発生用非線形光学素子１１９と反対側には、第２高調波取出しミラー１２２から取り出された第２高調波の進行方向を折り曲げるための折曲げミラー１２３が設けられている。内部波長変換型固体レーザ１０１のケース１２４には、第２高調波光を取り出すためのビーム取出し窓１２５が設けられている。Ｑスイッチ１１８では、共振器内の光損失量を変化させることができる。
【００４７】
（動作）
次に動作を説明する。まず、半導体レーザ１１６から出射する励起光を固体レーザ媒質１１５の光軸側方から固体レーザ媒質１１５に照射して固体レーザ媒質１１５を励起する。励起された固体レーザ媒質１１５中では、励起光の波長、活性媒質の原子構造に応じた特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反転分布は自然放出および誘導放出により減少するが、共振器内に配置したＱスイッチ１１８による光損失が大きい状態では、共振器内の光強度は増大し得ず、誘導放出による反転分布の減少は無視することができる。したがって、励起による反転分布増加量が自然放出による反転分布減少量を上回る限り反転分布は増加し、高いエネルギーが固体レーザ媒質１１５内に蓄積される。固体レーザ媒質１１５内に高いエネルギーが蓄積された状態で、Ｑスイッチ１１８による光損失量を急速に低下させると、固体レーザ媒質１１５内で発生した自然放出光は、第１の端部ミラー１２０と第２の端部ミラー１２１とにより共振器内に閉じ込められる。さらに、固体レーザ媒質１１５の誘導放出による増幅作用を被り、共振器内の基本波レーザ光１１７の光強度は急速に増加する。誘導放出の発生割合は、固体レーザ媒質１１５を通過する光強度に比例するため、光強度の高い基本波レーザ光１１７が固体レーザ媒質１１５中を通過する際には誘導放出が顕著となり、反転分布はしきい値以下にまで減少してしまう。この結果、共振器内の基本波レーザ光１１７は発振を停止する。上述のように、共振器内にＱスイッチ１１８を設置し、共振器内の光損失を増減することにより、ピーク光強度の高いパルス光を発生することができる。特に本実施の形態においては、基本波レーザ光１１７を第１の端部ミラー１２０および第２の端部ミラー１２１から構成される共振器内に閉じ込める構成としているので、共振器内の基本波レーザ光１１７の光強度は非常に高くなる。
【００４８】
（作用・効果）
本実施の形態では、共振器内に第２高調波発生用非線形光学素子１１９を配置し、かつ第１の端部ミラー１２０と第２の端部ミラー１２１によって基本波レーザ光１１７を共振器内に閉じ込めているので、非常にピーク光強度の高い基本波レーザ光１１７を第２高調波発生用非線形光学素子１１９へと入射させることができる。第２高調波発生用非線形光学素子１１９において、基本波レーザ光１１７が第２高調波へ変換される割合は、理論的には基本波レーザ光１１７の光強度の２乗に比例する。この実施の形態に示すような波長変換手段を共振器の光路内に有する共振器内部波長変換構成によれば、高強度の基本波レーザ光１１７を第２高調波発生用非線形光学素子１１９に入射させ、効率良く第２高調波光を発生させることができる。
【００４９】
共振器内で発生した第２高調波は、共振器内に設置した第２高調波取出しミラー１２２から共振器外部に取り出される。共振器を出射した第２高調波は、折曲げミラー１２３により進行方向を折り曲げられ、ビーム取出し窓１２５よりケース１２４の外部に出射する。ケース１２４の外部に出射した可視域に波長を有する第２高調波は、この発明に係る薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置の第１のパルスレーザ光２としてアニーリングに使用される。
【００５０】
なお、第２のパルスレーザ光６の発生方法、被照射物９までの伝送方法、被照射物９に対する照射方法は、非線形光学素子１０が、波長５３２ｎｍの光を入射した際の２倍高調波発生時に位相整合条件が満たされるようにカットされていることを除き、実施の形態１で示した構成と同じである。
【００５１】
本実施の形態においては、固体レーザ媒質１１５を用いて近赤外域にある基本波レーザ光１１７を発生させ、Ｑスイッチ１１８でパルス化した基本波レーザ光１１７に対して、第２高調波発生用非線形光学素子１１９によって波長変換を施し、可視域に波長を有する第２高調波を発生させ、第１のパルスレーザ光２としてアニーリングに使用している。このように、固体レーザ媒質から発生する基本波レーザ光を可視光に波長変換し、第１のパルスレーザ光としてアニーリングに使用すれば、実施の形態１と同様な効果が得られるばかりでなく、実施の形態１において第１のパルスレーザ光２の光源として用いていたアルゴンレーザなどのガスレーザとは異なり、第１のパルスレーザ光発生用の光源を小型化することができる。また、ガスレーザに比べて効率良く第１のパルスレーザ光２を発生させることができるので、アニーリング時のランニングコストが低減し、安価に高品質なアニーリングを行なうことができる。
【００５２】
さらに、実施の形態１で示したアルゴンレーザは、放電中の電子によりガス媒質を励起するので、放電発生用の電極の消耗を避けることができず、寿命および長期信頼性の観点において十分優れているとはいえない。しかし、本実施の形態に示すように、固体レーザ媒質１５を使用すれば、長期信頼性が格段に向上するばかりでなく、出力の安定性も向上するので、メンテナンスコストの低減を図ることが可能なばかりでなく、長期間にわたり品質の安定したアニーリングを行なうことができる。また、ガスレーザに比べて高出力化が容易であるため、アニーリング作業の生産性の向上を図ることが容易である。
【００５３】
本実施の形態においては、固体レーザ媒質１１５にＹＡＧ結晶を使用した例を示したが、固体レーザ媒質１１５の材料はこれに限るものではなく、たとえばネオジウムイオンをドープしたＹＬＦ（ＬｉＹＦ4）結晶を使用すれば、波長１０４７ｎｍあるいは１０５２ｎｍの近赤外域にある基本波レーザ光１１７が得られる。さらに、自然放出の寿命がＹＡＧ結晶よりも長いので、Ｑスイッチ１１８で基本波レーザ光１１７をパルス化する際、固体レーザ媒質１１５内に効率良くエネルギーを蓄積することができる。また、固体レーザ媒質１１５の温度変化にともなう屈折率の変化がＹＡＧ結晶よりも小さいので、レーザ出力およびビーム品質の安定性が向上する。固体レーザ媒質１１５は、ここで言及したＹＡＧ結晶、ＹＬＦ結晶に限らず、近赤外域に発振波長を有するものであればいずれも適用が可能であり、アニーリングに必要な条件に応じて最良の結晶を選定すればよい。
【００５４】
また、この実施の形態においては、共振器内部で波長変換を行ない、固体レーザ媒質の第２高調波を発生する構成を示したが、共振器外に基本波レーザ光１１７を取り出しても基本波レーザ光１１７の光強度が十分に高く維持できるのであれば、第２高調波発生用非線形光学素子１１９を共振器外部に設置し、共振器外部で波長変換を行ない第２高調波を発生させ、第１のパルスレーザ光２としてアニーリングに使用してもよい。共振器外部に第２高調波発生用非線形光学素子１１９を配置すれば、共振器のアライメントが容易になるばかりでなく、出力の安定性はさらに向上し、アニーリング結果物の品質保持がさらに簡単になる。
【００５５】
また、本実施の形態においては、半導体レーザ素子１１６を固体レーザ媒質１１５の励起光源として使用する構成を示したが、アークランプを固体レーザ媒質１１５の励起光源として使用してもよい。アークランプを励起光源として使用した場合、長期信頼性の観点で半導体レーザ１１６に比べ劣るものの、半導体レーザ１１６に比べ安価であるため、レーザアニール装置の製造コストの低減を図ることができる。
【００５６】
本実施の形態においては、固体レーザ媒質１１５の第２高調波を第１のパルスレーザ光２として使用し、第１のパルスレーザ光２の２倍高調波を発生させ紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光６を発生させる構成を示したが、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光６の発生手段は、２倍高調波発生に限るものではない。たとえば、固体レーザ媒質１１５の第２高調波を第１のパルスレーザ光２として使用する場合には、固体レーザ媒質１１５の基本波レーザ光１１７と第１のパルスレーザ光２である第２高調波を、非線形光学素子１０に同時に入射させ和周波混合を行ない、紫外域に波長を有する基本波レーザ光の３倍高調波を第２のパルスレーザ光６として使用してもよい。波長変換を行なう非線形光学素子に対する熱負荷は、発生する波長変換光の波長が短くなるほど高くなるので、基本波レーザ光１１７の３倍高調波を第２のパルスレーザ光６として使用すれば、基本波レーザ光１１７の第２高調波の２倍高調波、すなわち、基本波レーザ光１１７の４倍高調波を第２のパルスレーザ光６として使用する場合よりも、第２のパルスレーザ光６を発生する非線形光学素子１０の熱負荷が低減し、レーザアニール装置としての信頼性が向上する。
【００５７】
実施の形態１および実施の形態２においては、Ｑスイッチを用いてレーザ光をパルス化する構成を示したが、パルス化の方法はこれに限るものではなく、例えばレーザ光源の励起をパルス動作で行なっても、アニーリングに適用可能なパルスレーザ光を得ることができる。
【００５８】
（実施の形態３）
（構成）
図１８を参照して、本発明に基づく実施の形態３における薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置について説明する。この薄膜半導体の製造装置では、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光を得る方法として、第１のパルスレーザ光２を発生させるパルスレーザ光源１から高調波を取り出すのではなく、パルスレーザ光源１とは別の独立したパルスレーザ光源５１を備えている。パルスレーザ光源５１は、紫外レーザ光源であり、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザである。パルスレーザ光源５１から出射した第２のパルスレーザ光６を第１のパルスレーザ光２に対して同軸に重ね合わせるためにパルスレーザ光源１と集光照射光学系８の間にダイクロイックミラー５２を設置し、第１のパルスレーザ光２はほとんどロス無く透過させ、かつ第２のパルスレーザ光６を効率良く反射させて第１のパルスレーザ光２の光軸と第２のパルスレーザ光６の光軸とを一致させている。また、これら２つのレーザ光源の発振タイミングはタイミングコントローラにより同期させ、概ね同タイミングで被照射物９に照射されるようにしている。
【００５９】
（作用・効果）
本実施の形態のように第１，第２のパルスレーザの光源が別々に存在していても、実施の形態１と同様の照射を行ない、同様の効果を得ることができる。
【００６０】
本実施の形態では、第２のパルスレーザ光６を第１のパルスレーザ光２に依存せずに発生させることが可能であるので、第１のパルスレーザ光２から第２のパルスレーザ光６に波長変換するための非線形光学素子が不要となる。したがって、レーザアニール装置としての信頼性が向上する。
【００６１】
なお、本実施の形態では、紫外域に波長を有する第２のパルスレーザ光としてＸｅＣｌを用いたが、レーザの種類はこれに限られず、３５０ｎｍ未満に発振波長を有するパルスレーザであれば、同様の効果を奏する。
【００６２】
（実施の形態４）
（構成）
図１９を参照して、本発明に基づく実施の形態４における薄膜半導体の製造装置について説明する。実施の形態３における薄膜半導体の製造装置では、第１のパルスレーザ光２と第２のパルスレーザ光６とをダイクロイックミラー５２で同じ光軸に合わせたが、実施の形態４では、ダイクロイックミラー５２から出射するそれぞれの光軸の向きにわずかに差をつけている。この角度の差は、被照射物９の表面で第２のパルスレーザ光の照射領域が、第１のパルスレーザ光の照射領域に概ね半分重なり、被照射物９の進行方向後ろ側に位置するような設定となっている。
【００６３】
本実施の形態では、ダイクロイックミラー５２が照射領域差別化手段である。
【００６４】
（作用・効果）
この場合も実施の形態１，３と同様の照射を行なうことができる。本実施の形態によってもこれまでの実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、集光照射光学系８のプリズム８０が不要となるので、薄膜半導体の製造装置を安価に実現できる。
【００６５】
（実施の形態５）
図２０（ａ）〜（ｉ）を参照して、本発明に基づく実施の形態５における薄膜半導体の製造装置について説明する。実施の形態１〜４における薄膜半導体の製造装置では、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とをそれぞれ線形状に集光した状態で概ね同時に被照射物９に向けて照射したが、本発明の要点は、第１のパルスレーザ光のプロファイルのうち被照射物の進行方向後ろ側の急勾配の部分で形成される横方向成長の結晶部分をアモルファス化することにある。したがって、第１，第２のパルスレーザ光を必ずしも同時に照射する必要はなく、被照射物の進行方向後ろ側の急勾配の部分で横方向成長結晶が形成された後、被照射物の進行方向前側の急勾配の部分で照射されるまでの間に、第２のパルスレーザ光でこの横方向成長結晶部分をアモルファス化しても同様の効果が得られる。
【００６６】
エネルギー密度のプロファイルとして図２０（ａ）に示すプロファイル２４を有する第１のパルスレーザ光を照射する。被照射物９は矢印７１の向きに移動し、その結果、被照射物９に対する第１のパルスレーザ光によるスキャンは矢印３４の向きに行なわれる。こうして、図２０（ｂ）に示すように、被照射物９表面のアモルファスシリコン膜２０３の中に溶融部２６が生じる。次に冷却が始まり、図２０（ｃ）に示すプロファイル２４の両側の勾配部分で横方向成長結晶３１が形成される。次に、図２０（ｄ）に示すように、プロファイル２５を有する第２のパルスレーザ光を照射する。このとき、第２のパルスレーザ光は、プロファイル２５がプロファイル２４のうち、被照射物９の進行方向後ろ側すなわち矢印７１と反対側の勾配部分に重なるような位置に照射される。その結果、図２０（ｅ）に示すように、プロファイル２５に覆われた領域で溶融部２６が形成される。このとき、被照射物９の進行方向前側の横方向成長結晶３１は残るが被照射物９の進行方向後ろ側の横方向成長結晶３１は再び溶融部２６となる。この状態の被照射物９が冷却することによって、溶融部２６であった部分が図２０（ｆ）に示すようにアモルファス化し、アモルファス部分３７となる。次に、図２０（ｇ）に示すようにプロファイル２４ｎを有する第１のパルスレーザ光を照射する。プロファイル２４ｎは第１のパルスレーザ光の前回の照射時のプロファイル２４に比べて図中右にずれた位置となっている。よって図２０（ｈ）に示すように、図中左側の横方向成長結晶３１はそのまま残り、アモルファス部分３７が再び溶融部２６となる。このとき、プロファイル２４ｎの勾配部分はプロファイル２４で形成されていた勾配部分に比べ、図中右側にずれた位置にあるので、横方向成長結晶３１の末端部分から図中右側に向けてさらに結晶が成長する。したがって、冷却後には図２０（ｉ）に示す横方向成長結晶３８のように長く延びた良質の結晶が形成される。このとき、プロファイル２４ｎの図中右側の勾配部分でも横方向成長結晶３１が形成されるが、この部分はこの後、再度プロファイル２５（図２０（ｄ）参照）を有する紫外域の第２のパルスレーザ光が照射されることによりアモルファス化する。このような手順で図２０（ａ）〜（ｉ）のサイクルを繰返すことにより、被照射物９表面のスキャンが進行する。
【００６７】
（作用・効果）
本実施の形態のように第１，第２のパルスレーザを同時でなく別々のタイミングで照射することによっても、これまでの実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
特に実施の形態３のように、それぞれ独立のレーザ光源を用いた場合には、本実施の形態のように第１，第２のパルスレーザを別々のタイミングで照射することは好都合である。なぜなら、同時照射のための数ナノ秒のオーダーの同期が不要となるからである。本実施の形態では、せいぜい第１のパルスレーザの発振周期であるミリ秒オーダの非常にラフな同期が実現できさえすれば足りるので、薄膜半導体の製造方法および製造装置の安定度が高まる。
【００６９】
なお、今回開示した上記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。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を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に基づく薄膜半導体の製造方法が用いられる半導体装置の製造方法の第１の工程の説明図である。
【図２】本発明に基づく薄膜半導体の製造方法が用いられる半導体装置の製造方法の第２の工程の説明図である。
【図３】本発明に基づく薄膜半導体の製造方法が用いられる半導体装置の製造方法の第３の工程の説明図である。
【図４】本発明に基づく薄膜半導体の製造方法が用いられる半導体装置の製造方法の第４の工程の説明図である。
【図５】本発明に基づく薄膜半導体の製造方法が用いられる半導体装置の製造方法の第５の工程の説明図である。
【図６】本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造装置の概念図である。
【図７】本発明に基づく実施の形態１における製造方法によって被照射物上に生じる第１，第２のパルスレーザ光の照射領域の重なり具合の説明図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造方法に含まれるスキャン照射工程の説明図である。
【図９】（ａ）は、本発明に基づく実施の形態１における第１のパルスレーザ光を単独で照射した場合の幅方向のエネルギー密度分布のプロファイルのグラフである。（ｂ）は、第１のパルスレーザ光によって被照射物の中に溶融部が生じる様子を示す断面図である。（ｃ）は、被照射物内部の温度分布を示すグラフである。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造方法に含まれるスキャン照射工程によって成長した結晶粒の説明図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造方法に含まれるスキャン照射工程によって横方向に結晶が成長していく様子の説明図である。
【図１２】波長と吸収係数との関係を示すグラフである。
【図１３】第２のパルスレーザ光の照射エネルギー密度と、照射後に形成される結晶状態との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造方法に含まれる多結晶化工程で被照射物の表面をジグザグ状にスキャンする様子の説明図である。
【図１５】（ａ）は、本発明に基づく実施の形態１における第１，第２のパルスレーザ光の幅方向のエネルギー密度分布のプロファイルのグラフである。（ｂ）は、第１，第２のパルスレーザ光同士の重ね合わせによって被照射物の中に溶融部が生じる様子を示す断面図である。（ｃ）は、被照射物内部の温度分布を示すグラフである。
【図１６】（ａ），（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体の製造方法に含まれる多結晶化工程によって横方向に結晶が成長していく様子の説明図である。
【図１７】本発明に基づく実施の形態２における薄膜半導体の製造装置に含まれる内部波長変換型固体レーザ装置の概念図である。
【図１８】本発明に基づく実施の形態３における薄膜半導体の製造装置の概念図である。
【図１９】本発明に基づく実施の形態４における薄膜半導体の製造装置の概念図である。
【図２０】（ａ）〜（ｉ）は、本発明に基づく実施の形態５における薄膜半導体の製造方法に含まれる多結晶化工程の説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  パルスレーザ光源、２  第１のパルスレーザ光、６  第２のパルスレーザ光、８  集光照射光学系、９  被照射物、１０  非線形光学素子、１１  集光レンズ、１２  ベンドミラー、１３  ビーム調整光学系、１４  ステージ、２１  （線形上に集光するための）集光レンズ、２２  （線形状に集光された）第１のパルスレーザ光、２３  （線形状に集光された）第２のパルスレーザ光、２４  （集光された第１のパルスレーザ光の）プロファイル、２４ｎ  （新たに照射された第１のパルスレーザ光の）プロファイル、２５  （集光された第２のパルスレーザ光の）プロファイル、２６  溶融部、２７  （線形状に集光されたビームの）長手方向、２９  結晶粒、３１，３８  横方向成長結晶、３２  （結晶が成長する向きを示す）矢印、３４  （第１のパルスレーザ光の照射領域が相対的にスキャンする向きを示す）矢印、３５  （第１のパルスレーザ光の）照射領域、３６  （第２のパルスレーザ光の）照射領域、３７  アモルファス部分、５１  （第２のパルスレーザ光を発する）パルスレーザ光源、５２  ダイクロイックミラー、５３  （第１のパルスレーザ光の）光軸、５４  （第２のパルスレーザ光の）光軸、７１  （被照射物が移動する向きを示す）矢印、８０  プリズム、１０１  内部波長変換型固体レーザ装置、１１５  固体レーザ媒質、１１６  半導体レーザ素子、１１７  基本波レーザ光、１１８  Ｑスイッチ、１１９  第２高調波発生用非線形光学素子、１２０  第１の端部ミラー、１２１  第２の端部ミラー、１２２  第２高調波取出しミラー、１２３  折曲げミラー、１２４  ケース、１２５  ビーム取出し窓、２０１  絶縁基板、２０２  下地膜、２０３  アモルファスシリコン膜、２０４  （レーザ照射を表す）矢印、２０６  （パターニングされた）多結晶シリコン膜、２０７  ゲート絶縁膜、２０８  ゲート電極、２０９  ソース電極、２１０  ドレイン電極、２１１  層間絶縁膜。
【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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【図２０】
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