(57)【要約】【課題】  半導体膜の表面に段差がなく、全体に平坦な半導体膜を製造する。また、表面に荒れがなく、酸素などの不純物が混入していない高品質の素子を形成する。【解決手段】  本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、半導体膜上に第１の光学膜を形成する第１の光学膜形成工程と、第１の光学膜の一部を除去することにより、第１の光学膜が形成されている領域と、第１の光学膜が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、第１の光学膜が形成されている領域と、第１の光学膜が形成されていない領域に、第２の光学膜を形成する第２の光学膜形成工程と、第２の光学膜を通して、半導体膜に第１のレーザ光を照射し、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、溶融した半導体を結晶化する結晶化工程とを備える製造方法であり、第１の光学膜が形成されている領域におけるレーザ光の反射率が、第１の光学膜が形成されていない領域におけるレーザ光の反射率と等しくなるように設定することを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記半導体膜上に第１の光学膜を形成する第１の光学膜形成工程と、
前記第１の光学膜の一部を除去することにより、第１の光学膜が形成されている領域と、第１の光学膜が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、
第１の光学膜が形成されている前記領域と、第１の光学膜が形成されていない前記領域に、第２の光学膜を形成する第２の光学膜形成工程と、
前記第２の光学膜を通して、半導体膜に第１のレーザ光を照射し、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化工程
とを備える製造方法であり、
第１の光学膜が形成されている前記領域におけるレーザ光の反射率が、第１の光学膜が形成されていない前記領域におけるレーザ光の反射率と等しくなるように設定することを特徴とする半導体膜の製造方法。
【請求項２】
第１の光学膜が形成されている前記領域におけるレーザ光の反射率と、第１の光学膜が形成されていない前記領域におけるレーザ光の反射率が、小さくなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項３】
レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記半導体膜上に光学膜を形成する光学膜形成工程と、
前記光学膜の一部を除去することにより、光学膜の厚さの薄い領域と、光学膜の厚さの厚い領域とに分けるパターニング工程と、
前記光学膜を通して、半導体膜に第１のレーザ光を照射し、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化工程
とを備える製造方法であり、
光学膜の厚さの薄い前記領域におけるレーザ光の反射率が、光学膜の厚さの厚い前記領域におけるレーザ光の反射率と等しくなるように設定することを特徴とする半導体膜の製造方法。
【請求項４】
光学膜の厚さの薄い前記領域におけるレーザ光の反射率と、光学膜の厚さの厚い前記領域におけるレーザ光の反射率が、小さくなるように設定することを特徴とする請求項３に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項５】
第１のレーザ光を照射する領域の少なくとも一部を含む領域に、第２のレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜４に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項６】
第２のレーザ光の波長が、９μｍ〜１１μｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項７】
第２のレーザ光は、パルス状に照射し、第１のレーザ光の照射に先立ち、第２のレーザ光の照射を開始することを特徴とする請求項５に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項８】
請求項５に記載の方法を実施する製造装置であって、第２のレーザ光の波長が９μｍ〜１１μｍであることを特徴とする半導体膜の製造装置。
【請求項９】
請求項５に記載の方法を実施する製造装置であって、第２のレーザ光は、パルス状に照射し、第１のレーザ光の照射に先立ち、第２のレーザ光の照射を開始することを特徴とする半導体膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の半導体膜にレーザ光を照射し、結晶化させる半導体膜の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタは、非晶質もしくは多結晶のシリコンを活性層として用いる。このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、電子の移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの長所を有している。たとえば、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００３】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要である。通常、結晶化のアニール工程は、６００℃以上の高温アニール法によって行なう場合、高温に耐える高価な基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっている。近年は、レーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００４】
レーザによる結晶化技術は、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、ガラス基板を走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径０．２〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融することによって、レーザ照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。
【０００５】
さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることおよび結晶の方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、近年、数多くの研究開発がなされている。その中でも、特に、スーパーラテラル成長と称する技術がある（特許文献１参照）。スーパーラテラル成長法は、スリット状ビームのパルスレーザをシリコン薄膜に照射し、スリット状に照射された部分のシリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融させ、溶融部分と未溶融部分の境界から横方向、すなわち、ガラス基板に水平な方向に結晶粒の成長を制御し、針状の結晶を得るものである。スーパーラテラル成長は、レーザパルスを１回照射することで完了するが、１回前のレーザ照射で形成される針状結晶の一部に重複させて、順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った大結晶が得られるという特徴を有している。
【０００６】
これとは別に、図１０に示すように、基板上に、拡散防止層と、半導体膜１０２を形成した後、半導体膜１０２の一部に反射防止膜１０９を形成し（図１０（ａ））、レーザビームＬをスリット状に照射するのでなく、基板全体に照射し（図１０（ｂ））、二酸化シリコンなどからなる反射防止膜の形成された領域にある半導体膜１０２ａのみを溶融させ（図１０（ｃ））、反射防止膜の形成された領域のみを結晶化させる方法がある（図１０（ｄ））。その後、反射防止膜は除去することもできる（図１０（ｅ））（特許文献２参照）。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特開昭５７−２１０６２４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、特許文献１に記載のスーパーラテラル法による結晶粒の成長距離は、１〜２μｍに過ぎず、大結晶粒を得るには、何度もレーザの照射を繰り返す必要がある。特に結晶成長距離が１μｍ程度であるため、結晶を引き継いで成長させるためには、再度、照射するビームを、前回の結晶にオーバーラップさせて照射する必要があり、結果的に０．５μｍ程度ずらせることになる。ところが、常に０．５μｍのずらし量を得るためには、送り精度で言うと０．１μｍ程度の分解能、すなわち極めて精度の高い送り機構が必要であり、装置コストが大きくなる。また一回にわずかの量しか送り量を与えられないため、処理速度が遅いという欠点がある。
【０００８】
一方、特許文献２に記載の方法は、特許文献１に記載の方法とは異なり、各領域への照射は一回で完結するため、処理速度は速い。しかし、特に、図１０に示すように、反射防止膜１０９のある部分１０２ａと、反射防止膜１０９のない部分１０２ｂとの間に、段差１０２ｃが生じて、素子形成時または配線パターン形成時に、薄膜の部分１０２ａに欠陥が生じやすいという欠点がある。また、反射防止膜のない部分１０２ｂでも、レーザの照射条件によっては、完全な溶融にいたらないまでも、ある程度溶融が生じ、このために表面に荒れが生じて、全体の素子形成に悪影響を与える場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
半導体膜上に第１の光学膜を形成する第１の光学膜形成工程と、
第１の光学膜の一部を除去することにより、第１の光学膜が形成されている領域と、第１の光学膜が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、
第１の光学膜が形成されている領域と、第１の光学膜が形成されていない領域に、第２の光学膜を形成する第２の光学膜形成工程と、
第２の光学膜を通して、半導体膜に第１のレーザ光を照射し、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化工程
とを備える製造方法であり、
第１の光学膜が形成されている領域におけるレーザ光の反射率が、第１の光学膜が形成されていない領域におけるレーザ光の反射率と等しくなるように設定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の製造方法の他の形態は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
半導体膜上に光学膜を形成する光学膜形成工程と、
光学膜の一部を除去することにより、光学膜の厚さの薄い領域と、光学膜の厚さの厚い領域とに分けるパターニング工程と、
光学膜を通して、半導体膜に第１のレーザ光を照射し、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化工程
とを備える製造方法であり、
光学膜の厚さの薄い領域におけるレーザ光の反射率が、光学膜の厚さの厚い領域におけるレーザ光の反射率と等しくなるように設定することを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体膜の製造装置は、上述の方法を実施する製造装置であって、第２のレーザ光の波長が９μｍ〜１１μｍであることを特徴とする。また、本発明の半導体膜の製造装置の他の形態は、上述の方法を実施する製造装置であって、第２のレーザ光を、パルス状に照射し、第１のレーザ光の照射に先立ち、第２のレーザ光の照射を開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体膜の表面に段差がなく、全体に平坦な半導体膜を製造することができる。また、表面に荒れがなく、酸素などの不純物が混入していないため、高品質の素子を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（半導体膜の製造方法）
本発明の半導体膜の製造方法は、基板上に半導体膜を形成する工程と、半導体膜上に第１の光学膜を形成する工程と、第１の光学膜の一部を除去するパターニング工程と、第２の光学膜を形成する工程と、半導体膜に第１のレーザ光を照射し、溶融する工程と、溶融した半導体を結晶化する工程とを備える。かかる製造方法により、第１の光学膜の辺縁部に、半導体膜の段差が生じることがなく、全体に平坦な半導体膜を形成することができ、高品質なデバイスを得ることが容易となる。また、全体が光学膜で覆われた状態でレーザ光による溶融を行なうため、表面の荒れを防止できる。さらに、全体が光学膜で覆われた状態で溶融し、結晶成長が可能であるので、半導体膜が、溶融中に酸素などに接して酸化されたり、あるいは他の不純物元素が混入したりすることを防止でき、高品質の素子形成が可能となる。
【００１４】
本発明の製造方法においては、第１の光学膜と第２の光学膜が重なった領域の反射率が、それ以外の領域の反射率と等しくなるように設定する。かかる態様により、第１の光学膜に第２の光学膜が重なった領域も、それ以外の領域も、半導体膜へのレーザ光の吸収量が等しくなり、均一に加熱し、溶融、結晶化を行なうことができるため、均一な結晶成長が可能となる。ここに、第１の光学膜に第２の光学膜が重なった領域の反射率と、それ以外の領域の反射率が等しいとは、両者の反射率が完全に一致する場合のほか、実質的に等しい場合も含まれる。また、実質的に等しいとは、第１の光学膜に第２の光学膜が重なった領域と、それ以外の領域とで、ほぼ同様の結晶成長が得られるという技術的効果を奏する点で、反射率が、好ましくは１５％以内で相違する態様、より好ましくは１０％以内で相違する態様、特に好ましくは５％以内で相違する態様のいずれもが本発明に含まれる。
【００１５】
図１に、本発明の製造方法についての第１の実施の形態を示す。図１（ａ）に示すように、まず、ガラス基板４の上に、拡散防止層３を形成する。拡散防止層３は、ガラス基板４からの不純物の拡散を防ぐために形成する。具体的には、拡散防止層３として、二酸化シリコン膜を用いるが、これに限るものではなく、ガラス基板４からの不純物の拡散を防ぐことができれば、他の材料からなる膜であってもよい。二酸化シリコン膜の形成は、蒸着法、スパッタ法、CVD法などの方法で行なうことができる。
【００１６】
つぎに、図１（ａ）に示すように、拡散防止層３の上に、半導体膜２を形成する。半導体膜２は、通常、アモルファスシリコンを材料として用い、CVD法により形成するが、成膜方法としては、スパッタ法または蒸着法などを用いることも可能である。半導体膜２の厚さは、求められるトランジスタの特性や、プロセス条件などにより様々であるが、数十nm〜数百nmとすることができ、通常は３０〜１００nmの膜厚とする。
【００１７】
成膜直後の半導体膜２は、通常はアモルファスであり、結晶化はしていない。ある種の成膜方法によれば、非常に小さい結晶の集合（微結晶）を得ることもできるが、いずれにせよ、それほど大きな結晶粒を得ることは困難である。したがって 、成膜直後の半導体膜２に直接トランジスタを形成すると、トランジスタの電子移動度は低くなってしまう。  
【００１８】
つづいて、本実施の形態では、図１（ａ）に示すように、半導体膜２の上に第１の光学膜１を形成する。本明細書において、光学膜とは、その膜を形成することによりその表面の光に対する反射率、透過率、吸収率、偏光特性などを変化させることのできる膜を指す。光学膜１の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウムなどの窒化物、酸化シリコン、二酸化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの酸化物が適している。成膜方法としては、CVD法、スパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
【００１９】
つぎに、パターニング工程を行なう。パターニング工程において、第１の光学膜の一部を除去することにより、図１（ｂ）に示すように、第１の光学膜１が形成されている領域１ａ，１ｂと、第１の光学膜が形成されていない領域とにパターン化する。パターニングは、フォトリソグラフィおよびエッチングによって行なうことができ、たとえば、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチングあるいはドライエッチングを用いたエッチング法などを組み合せて、第１の光学膜を所望の形状にパターン化することができる。
【００２０】
つづいて、図１（ｃ）に示すように、第２の光学膜５を形成する。第２の光学膜の形成工程においては、第１の光学膜が形成されている領域６と、第１の光学膜が形成されていない領域７に第２の光学膜５を形成する。第２の光学膜５の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム、などの窒化物、酸化シリコン、二酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの酸化物が適している。成膜方法としては、CVD法、スパッタ法または蒸着法などを用いることが可能である。ここで、第２の光学膜は基板全体に形成するので、基板上には、第１の光学膜１と第２の光学膜５が重なり合った領域６と、第２の光学膜のみが形成された領域７が生じる。
【００２１】
ここで、第１の光学膜および第２の光学膜の厚さは、それぞれ５nm〜数百nmに設定することができるが、これらの光学膜の厚さおよび、第１の光学膜と第２の光学膜が重なり合って、厚さを結果的に変化させることにより、レーザ光の反射率を領域により変化させる。すなわち、本発明では、レーザ光を照射して、半導体膜２を溶融し、結晶化を行なうのであるが、このとき、半導体膜２へのレーザ光の吸収率を変えて、基板上の半導体膜２に溶融、非溶融の部分を作り出し、結晶成長を行なわせるように設定する。半導体膜２の反射率および吸収率は、レーザ照射に用いるレーザの波長と、第１および第２の光学膜の光学定数（屈折率）と、半導体膜２自身の光学定数などにより異なり、反射率および吸収率は、公知の光学的計算を行なうことにより、あるいは作製したものを公知の技術により測定することにより知ることが可能である。
【００２２】
図８に、アモルファスシリコンからなる半導体膜上に、二酸化シリコンからなる第１の光学膜を形成したときの、レーザ光の反射率の例を示す。前述したように、反射率は、レーザ照射に用いるレーザの波長、光学膜の光学定数（屈折率）、および半導体膜自身の光学定数などによって異なるが、光学膜の膜厚と反射率の関係を模式的に図８に示す。図８の例では、光学膜の膜厚がD１、D２、D３、D４などにおいて、反射率が極大もしくは極小になるような変化を繰り返している。
【００２３】
ここで、本実施の形態における膜厚の組み合わせは、図１（ｃ）において、第１の光学膜１に第２の光学膜５が重なった領域６の反射率と、それ以外の領域７の反射率が、双方とも小さくなるような態様が好ましい。かかる態様により、第１の光学膜１に第２の光学膜５が重なった領域６も、それ以外の領域７も、半導体膜２へのレーザ光の吸収量が大きくなり、高温に加熱し、溶融、結晶化を行なうことができるようになる。
【００２４】
また、第１の光学膜１に第２の光学膜５が重なった領域６の反射率も、それ以外の領域７の反射率も、双方とも小さくなるように設定するための具体的な方法としては、第１の光学膜１に第２の光学膜５が重なった領域６において、第２の光学膜５の表面からの反射光と、半導体膜２の表面からの反射光の位相差をおおむね１/２波長とし、それらの反射光が弱めあう条件に設定すれば、反射率を低くすることができ、半導体膜への光の吸収を大きくすることができる。同時に、この場合、第２の光学膜５のみが半導体膜２上に積層された領域７においても、第２の光学膜５の表面からの反射光と、半導体膜２の表面からの反射光の位相差をおおむね１／２波長とし、それらの反射光が弱めあう条件の近傍に設定することにより、反射率を低くすることでき、半導体膜２への光の吸収を大きくして、半導体膜を高温に加熱することができるようになる。ここでは、反射率を小さくするための例として、位相差がおおむね１／２波長の場合を選択して説明したが、本発明においては、反射光に位相差を設けることにより、反射光を弱めて、半導体膜への光の吸収を大きくし、半導体膜を高温に加熱することができるようにするという効果を期待するものであるから、かかる技術的意義を有するならば、位相差を１／２波長とする場合のほか、（１／２＋１）波長または（１／２＋２）波長などとして、反射光を弱めようとする態様も本発明に含まれる。
【００２５】
このような条件を実現するためには、図８に示すように、第２の光学膜の膜厚として、たとえばD１を選択し、その下に積層する第１の光学膜の膜厚としては、D３-D１の膜厚を選択すればよい。すなわち、第２の光学膜としては、反射率が極小となる膜厚（たとえば、D１）を選択し、第１の光学膜としては、第１の光学膜の膜厚と第２の光学膜の膜厚の和が、反射率が極小を示す膜厚（たとえば、D３）になるように、第１光学膜の膜厚としてはD３-D１に設定すればよい。
【００２６】
このように設定することで、図１（ｃ）において、第１の光学膜１に第２の光学膜５が重なった領域６における反射率を低くし、半導体膜への光の吸収を大きくすることができ、同時に、第２の光学膜５のみが半導体膜２上に積層された領域７においても、反射率を低くし、半導体膜への光の吸収を大きくすることができる。このように本実施の形態においては、第１の光学膜をパターニングし、積層する光学膜の厚さを上記のように最適に管理して積層するだけで、所望の光学特性が得られるという効果がある。
【００２７】
つぎに、図１（ｄ）に示すように、この基板に対してレーザ照射を施し、その後、図１（ｅ）に示すように、溶融した半導体が結晶化し、結晶性半導体膜を製造することができる。レーザ光照射工程においては、図１（ｄ）に示すように、第２の光学膜５を通して、半導体膜２に第１のレーザ光Ｌを照射し、半導体膜２を溶融する。溶融には、基板上の半導体膜の全域にわたって溶融する場合のほか、基板上の半導体膜の一部の領域のみが溶融する場合の双方が含まれる。レーザ照射のために用いる装置の例を図３に示す。本装置は、第１のレーザ光源３０８と、反射ミラー３０９と、開口部を形成したフォトマスク３１０と、対物レンズ３１１と、ガラス基板３１２を搭載して駆動を行なうステージ３１３を有する。また、図３に示すように、必要に応じて、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群３１４を設けることができる。
【００２８】
レーザ処理に際しては、第１のレーザ光源３０８から出射されたビームは、光学素子群３１４に含まれるエキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、同じく光学素子群３１４に含まれるホモジナイザにより、ビーム断面内の放射照度の一様化が図られた上、フォトマスク３１０に照射される。ここで、ビームエキスパンダは、望遠系もしくは縮小系を有する光学系であり、フォトマスク３１０上の照射領域の大きさを決めるものである。ホモジナイザは、その構成の一例として、レンズアレイもしくはシリンドリカルレンズアレイにより構成され、ビームを分割したうえ、再合成することで、マスク上の照射領域内での放射照度の一様化を図るものである。
【００２９】
ここでは、フォトマスク３１０の開口部にホモジナイザを通過させた光を照射し、この照射によって照明された開口部の像を対物レンズ３１１により基板３１２の表面に結像させる。すなわち、基板３１２上には、開口部の像が結像される結果、基板上の半導体膜の一部が照射され、その他の部分が照射されない状態となる。このとき、図１における第１の光学膜１の複数のパターン１ａ、１ｂを設けた領域が収まる領域にレーザを照射するように設定する。
【００３０】
レーザ光源３０８としては、パルス照射を行なうレーザ光源、たとえばエキシマレーザを用いる。エキシマレーザの場合、発振波長が紫外線領域にあり、半導体膜に非常に吸収されやすい。また、パルス幅は１０〜数十nsであり、ほぼ瞬時に膜が溶融するが、その後急速に冷却され、その過程で結晶化する。
【００３１】
前述のように、基板３１２上には、フォトマスク３１０の開口部の像が、対物レンズ３１１により結像され、ほぼ一様な放射照度のレーザ光が照射される。このときの、第１のレーザにより、半導体膜に吸収される光（エネルギ）の分布を図４に示す。図４（ｃ）は、本発明により光学膜が積層された基板の断面図であり、図４（ｂ）は、基板の平面図である。また、図４（ａ）は、各領域において半導体膜に吸収されるレーザ光の分布を示す。図５は、図４（ｂ）に示す半導体膜にレーザ光を照射し、結晶化して得られる半導体膜の平面図である。本発明においては、図４における、第１と第２との光学膜の積層された領域４０６と、第２の光学膜のみが積層された領域４０７とは、同じ反射率に設定されており、照射したレーザ光に対し、同じ量の吸収が生じ、同じように半導体膜の溶融が生じる。
【００３２】
ただ、この場合、領域４０６と領域４０７との境界付近４１６では、反射率が高くなり、局所的にレーザ光の吸収量が小さくなり、境界付近４１６のみ温度が低くなるという現象が生じる。その理由は、領域４０６と領域４０７は、膜厚は異なるけれども、図８で示したように、反射率がほぼ等しく設定されている。しかし、その境界付近４１６では、図８でわかるように、膜厚はD３からD１に連続的に変化しており、その間で反射率の高い膜厚D２を必ず通過する。したがって、その通過する付近では必ず反射率が高くなり、光の吸収量が減って温度が低くなる。
【００３３】
図６に、フォトマスクの例を示す。図６に示すフォトマスクは、遮光部６１８と、開口部６１９を有する。対物レンズにより基板上に、フォトマスクの開口部の像が結像されると、光学膜のパターンが形成されている領域が溶融し、パルス照射が終了すると、溶融した部分は、急速に冷却し結晶化する。このとき、図４における境界４１６付近が最初に温度が低くなるため、そこから結晶成長が開始する。すなわち、基板上には、領域４０６と領域４０７の境界４１６を起点として、パターンの幅方向、かつ、それぞれ反対方向に結晶が成長して、横方向に成長した柱状の結晶が得られる。この現象を、図１（ｅ）に模式的に示す。図１（ｅ）における横方向の矢印は、結晶成長の方向を示す。また、図５に示すように、得られる半導体膜は、一方向に成長した結晶５０６，５０７を有する。
【００３４】
本発明では、第１の光学膜をパターン化することにより、第１の光学膜が形成されて、第２の光学膜と重なっている領域におけるレーザ光の反射率と、第１の光学膜が形成されていないため、第２の光学膜のみが形成されている領域におけるレーザ光の反射率とが、実質的に等しくなるように設定する。また、好ましくは、それぞれの領域における反射光が弱め合う条件に設定し、反射率を低く設定する。かかる態様により、上述のとおり、結晶化する位置および結晶化の方向（パターンの幅方向）を特定でき、その特定の位置および方向に合せて、結晶の成長方向にキャリアを流すような構造のトランジスタを構成することにより、キャリアが粒界に散乱されることが少なく、移動度が極めて高い高性能のトランジスタを得ることができる。また、一回のレーザ照射により照射領域全面に結晶を形成でき、高能率の結晶化を行なうことができる。
【００３５】
本発明によれば、図１０に示すような、反射防止膜を形成する従来の製造方法と異なり、光学膜の辺縁部で、半導体膜に段差が生じるという現象がなく、全体に平坦な半導体膜を形成することができ、デバイスを構成するときに高品質な特性を得ることが容易となる。また、全体が光学膜で覆われた状態でレーザ光による溶融を行なうため、表面の荒れを防止できる。さらに、全体が光学膜で覆われた状態で溶融し、結晶成長が可能であるので、半導体膜が、溶融中に酸素などに接して酸化されたり、あるいは他の不純物元素が混入したりすることを防止でき、高品質の素子形成が可能となる。
【００３６】
また、本発明の場合、このような光学膜のパターニングを行なうことで、結晶成長の方向を自在に制御することが可能である。すなわち、光学膜の複数のパターンを配置する位置と向きを変えることで、結晶をどの位置に、どちらの向きに成長させるかを自由に決めることができる。したがって、トランジスタの配置および方向を自由に設計することができるようになり、トランジスタの配置の自由度が高く、配置密度の高い回路設計を行なうことが容易となる。
【００３７】
さらに、本発明によれば、図４に示すように、領域４０６と領域４０７の境界４１６の温度が最初に低下する結果、溶融した半導体が境界４１６から結晶化をはじめ、横方向に成長をする。このため、図５に示すように、第１の光学膜と第２の光学膜とが積層された領域５０６、および第２の光学膜のみが配されている領域５０７のどちらにおいても、一回のレーザ照射によって、横方向に成長した結晶が成長する。すなわち、一回のレーザ照射により、基板全面の結晶化が完了する。このため、きわめて早い時間で結晶化を行なうことができ、結晶の作製コストを低減することができる。
【００３８】
また、本発明の場合、図３に示すように、第１のレーザ光源３０８に加えて、第２のレーザ光源３１５を有する態様が好ましい。また、第２のレーザ光源３１５は、第１のレーザ光源３０８のビームの側方から斜めに、基板３１２に照射する構成とし、第２のレーザの照射領域は、少なくとも第１のレーザ光の照射領域を含む範囲とする態様が好ましい。基板上での第２のレーザ光の照射領域に、第１のレーザ光の照射領域の少なくとも一部を含めることにより、結晶をつないで結晶の成長距離を長くすることができる。第２のレーザとしては、炭酸ガスレーザ、固体レーザまたはガスレーザなどを用いることができ、類似の効果を得ることが可能であるが、結晶成長を大きく促進できるという効果については、後述する現象により、炭酸ガスレーザを用いるのがもっとも好ましい。
【００３９】
第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合、その発振波長は９〜１１μｍの間であり、この波長域では、通常の光学ガラス、石英ガラスなどは不透明である。したがって、これらの材料による光学系を用いることはできない。炭酸ガスレーザの場合、吸収の少ない光学系とするためには、ZnSe、Geの結晶あるいは多結晶が用いられるが、第１のレーザにエキシマレーザを用いる場合は、その光学系は石英が主であり、この光学系は炭酸ガスレーザに対して大きな吸収を有するために、この光学系を通過させることができず、同一の光学系を通して基板を照射することができない。すなわち、多くの他の種類の光学系のように、同軸で２つの光学系を共存させることができない。しかし、斜めから基板を照射する態様にすれば、まったく別途に光学系を構成でき、石英を用いた光学系を通過させることなく、基板を照射することが可能となるので、吸収が少ない光学系を構成できて好都合である。
【００４０】
炭酸ガスレーザの発振波長は、９〜１１μｍの間であるが、この波長領域の光を、半導体膜はほとんど吸収しない。たとえば、シリコンあるいはアモルファスシリコンの膜は、この波長領域ではほとんど吸収が無く、炭酸ガスレーザの照射のみに起因してシリコンの溶融を効率よく生じさせることは難しい。しかしながら、二酸化シリコンあるいは二酸化シリコンを含有するガラスは、この波長の光をよく吸収し、照射によって温度上昇を生じさせることが可能である。このため、第１のレーザと同期して照射することで、第１のレーザ光により半導体膜を溶融させた後、あるいは溶融させながら、基板を加熱することができ、その結果、基板上の半導体膜を加熱することができ、結晶成長を助長することが可能となる。すなわち、炭酸ガスレーザは、半導体膜そのものを直接加熱することはできないが、その直下の基板を加熱することができ、基板からの熱伝導により、その上に構成されている半導体膜を加熱することができる。
【００４１】
この場合、炭酸ガスレーザにより加熱される領域は、たかだか、基板方向に１〜数十μｍの深さまでであり、基板全体が加熱されることがないため、基板全体としては低温のまま結晶化が行なえ、装置の簡略化、ガラス基板の伸縮、膨張の防止にとって有利である。また、炭酸ガスレーザは、連続発振、パルス発振が可能であり、自由にパルス幅と強度を変えられ、照射の自由度が高い。第１のレーザとして、エキシマレーザが用いる場合、エキシマレーザはパルス発振であり、パルス幅はレーザによって決まっており、１０ns〜１００nsであって、自由にパルス幅を変えて条件を最適化することが困難である。しかし、炭酸ガスレーザは、前述のようにパルス幅を、たとえば１μｓ〜数１０msと自由に変えることが可能であるので、第１のレーザで溶融させた後、比較的長い時間加熱して溶融状態を保持し、もしくは冷却に要する時間を長くし、最適条件を選んで、ゆっくりと凝固させることが可能である。また、炭酸ガスレーザは発振効率が高いために、出力１ワットあたりのコストも低く、エキシマレーザのみで溶融、結晶化させるよりも有利である。このように炭酸ガスレーザにはいろいろな利点があり、また発振波長は９〜１１μｍであるため、第２のレーザ光としては、波長が９〜１１μｍのものが好ましい。
【００４２】
炭酸ガスレーザとエキシマレーザを併用する場合、炭酸ガスレーザを連続照射しながら、エキシマレーザをパルス状に照射することができる。しかし、より好ましくは、炭酸ガスレーザもパルス状に照射しながら、それに同期してエキシマレーザを照射するのがよい。これはパルス照射とすることにより、長時間基板表面を加熱することを避け、基板表面の平均的温度をより低温に保つことができるからであり、基板の熱膨張を抑え、安定した工程とすることができる。すなわち、炭酸ガスレーザをパルス状に照射すると、照射パルスが照射されている間は基板表面の温度は高温に保たれるが、炭酸ガスレーザのパルス照射が終了すると速やかに冷却し、時間的な平均値としては、連続的に照射するよりもより低温となるためである。
【００４３】
第１のレーザとしてエキシマレーザを用い、第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合、これらの両パルスの照射タイミングとしては、図９（ａ）に示すように、エキシマレーザの照射パルス（ＥＬＰ）に先立って、炭酸ガスレーザの照射を開始し、エキシマレーザの照射が終了して、かつ半導体膜の凝固が終了するまで、炭酸ガスレーザを照射する方法がある。この場合、炭酸ガスレーザのパルス（ＣＬＰ）がエキシマレーザのパルス（ＥＬＰ）に先立つ時間DL１は１μｓ〜５０msの範囲に設定することができる。また、エキシマレーザのパルス幅W２は、前述のようにおおよそ１０ns〜１００nsの範囲であり、これにより溶融、凝固が終了する時間は、条件により異なるが、エキシマレーザのパルス照射終了後、ほぼ５０〜２００nsの範囲である。
【００４４】
また、別の照射方法としては、図９（ｂ）に示すように、炭酸ガスレーザのパルス照射終了後、ある時間（DL２）の後、エキシマレーザを照射する方法がある。この場合、DL２は０〜５ms程度に設定するのが好ましい。これはDL２が大きくなりすぎると、基板が冷却してゆき照射の効果が薄れるからである。しかし、これらのいずれの場合でも、基板および半導体膜の温度を予め上昇させておくことができる点で、第１のレーザ光の照射に先立って、第２のレーザ光の照射を開始しておく態様が好ましい。
【００４５】
ここで、このように炭酸ガスレーザとエキシマレーザを併用すると、結晶成長を際立って促進することができ、大きな結晶粒を得ることが可能となる。すなわち、実験によれば、エキシマレーザのみを照射する場合に比べて、数倍以上の結晶成長が確認されており、従来にない大きな結晶成長を得ることが可能になる。図７に、本発明による結晶成長後の半導体膜の平面図を示す。図７（ａ）は、エキシマレーザ光のみを照射した場合の半導体膜の状態を表し、図７（ｂ）は、エキシマレーザと炭酸ガスレーザを併用した場合の半導体膜の状態を表す。図７に示すように、エキシマレーザと炭酸ガスレーザを併用することにより、数倍の結晶が成長し、大きな領域を一度に結晶化することが可能であり、結晶化の領域を広げて、素子の配置の自由度を大幅に向上できる。
【００４６】
本発明の場合、レーザ光源として、固体レーザを用いることも可能である。固体レーザは、Nd-YAGなどの光学結晶をフラッシュランプ、もしくは半導体レーザにより照射して励起し、レーザ発振を行なうものであり、エキシマレーザに必要なハロゲンガスが不要で、メンテナンスが楽になるという利点がある。また、フラッシュランプを用いる代わりに、励起光源として半導体レーザを用いて励起する場合は、半導体レーザは発振効率がよく、かつ、半導体レーザの発振波長を固体レーザの光学結晶の吸収帯に一致させることで、高効率のレーザ発振が可能となる。このため、消費電力、装置の大きさがエキシマレーザやフラッシュランプ励起の固体レーザに比べ、大幅な低減が可能である。
【００４７】
固体レーザは、前述の励起光源により、Nd-YAGなどの光学結晶を励起することで、１．０６μｍ近辺の波長のレーザ光を励起することができる。ただし、このままでは照射、溶融すべきアモルファスシリコンに対しての吸収係数が小さく、アモルファスシリコンに光が吸収されにくく、溶融が起こりにくい。このため、この波長の光を非線形光学結晶によって、波長を逓倍し、可視光に変換することが望ましい。非線形光学結晶としては、KDP (KH２PO４)、LBO(lithium borate)、BBO、CLBO（CsLiB６O１０）などを用いることができる。これらの第２高調波波長によりほぼ５３２nm近辺の可視光が得られる。この近辺以下の波長であれば、アモルファスシリコンは吸収係数が大きくなり、レーザ光照射により溶融が可能である。
【００４８】
また、半導体膜上に形成する光学膜の材料とレーザ光源との組み合わせによっては、光学膜がレーザ光を、本発明の作用において無視できない程度に吸収する場合がある。たとえば、レーザ光源であるエキシマレーザが発する紫外線に対してある程度、吸収する場合がある。この場合、表面の光学膜により紫外線が吸収され、その下部にある半導体膜に十分に熱が与えられない場合がある。また、光学膜によって多くの光が吸収され熱くなると、光学膜の温度が上昇し、甚だしい場合は損傷が生じる可能性が有る。したがって、光学膜の光吸収率は、少なくとも、その下の半導体膜の吸収率よりも小さくする必要がある。
【００４９】
このために、紫外線に代えて、可視光線を用いるなど、照射する光の波長を変更するとよい結果が得られる。光学膜に対する透過率が高く、かつ半導体膜に対する吸収率の高い波長の光を発するレーザ光源を用いれば、光の多くが熱拡散膜を透過し半導体膜に吸収され熱になるので、半導体膜に十分に熱を与えることができる。なお、半導体膜として、たとえばアモルファスシリコンもしくはシリコンを用いる場合には、５５０nmよりも光の波長が短いことが望ましい。これは、波長が５５０nmより長い光をシリコンは十分に吸収しないからである。５５０nmより短い波長である光を発する光源としては、前述のような固体レーザによる可視光線を用いるのがよく、Nd-YAGなどの固体レーザの２倍高調波を用いると５３２nmの発振波長が得られるため、好都合である。
【００５０】
本発明に用いるフォトマスクは、図６に示すように、マスク基板上に遮光部６１８と開口部６１９とを有し、遮光部６１８は、照射された光を遮光する機能を有する。フォトマスクの基板としては、石英、ガラスなどの材料が用いられ、遮光部６１８はクロム、ニッケル、アルミニウムなどの金属薄膜あるいは、誘電体多層積層膜による反射もしくは吸収膜を基板上に形成して用いることができる。フォトマスク上に形成する開口部６１９は、スリット状、矩形もしくはそれに順ずる形状とし、レーザの平均出力が３００W、発振繰り返し周波数が３００Hzの場合、開口部を矩形としたとき、その寸法を、たとえば幅５mm、長さ１５mm（基板上で）程度とすると、おおむね半導体膜の溶融、結晶化を行なうことができる。この際、結像させるときの光学倍率は、等倍〜１/１０に設定して（すなわち開口部６１９を透過した光を、開口部６１９の大きさの等倍〜１/１０の大きさに縮小して結像して）行なうことが可能であるが、必ずしもこの形状、大きさに限るものではなく、アニールに用いるレーザの出力や一回のパルス出力の大きさにより、任意に設計が可能である。
【００５１】
このとき、対物レンズの解像力は、おおむねλ／NA（λは波長、NAは対物レンズの開口数）で表されるので、開口部６１９の像の辺縁部分には、光強度が徐々に変化する遷移領域が生じる。この領域では、半導体膜は半溶融状態となり、その部分に形成されたトランジスタの特性は悪化する。したがって、その部分はトランジスタを形成できない無効領域となる。このため、無効領域を減らして、できるだけトランジスタの形成できる領域を増やすため、遷移領域を減らすことが重要である。このとき、開口部６１９の像を結像する方式を用いると、遷移領域の幅を前述の解像度程度に収めることができるので、単にビームを直接基板上に照射する場合に比べて、無効領域を格段に減らすことができ、基板上に集積するトランジスタの密度を上げられるという利点を有する。
【００５２】
たとえば、対物レンズの開口数NAを０．１とし、用いるエキシマレーザの波長を３０８nmとすると、おおむね無効領域は３μｍ程度となる。一般に、レーザからのビームはガウシャンビームであり、もしそのビームをそのまま基板に照射した場合には、ビーム径に匹敵する無効領域が生じ、ビーム径がたとえば５ｍｍであれば、その無効領域は少なくとも直径の１割程度は生じるが、対物レンズを用いると、この無効領域を飛躍的に極小化することができる。
【００５３】
図１において、本発明により、半導体膜２の表面に光学膜１，５を形成し、レーザ光の照射により結晶化を行なった場合、結晶化後に光学膜１，５を除去してから、後の工程を行なってもよい。また、光学膜をそのまま残してもよいが、光学膜１，５を除去した方が、後の工程であるゲート部分の作製、電極配線、ドーピングなどの半導体形成が容易である。この場合、表面にある光学膜１，５の除去後は、半導体膜２、拡散防止層３、ガラス基板４という構成となるため、従来の膜構造と同じであり、従来の処理工程をそのまま用いることができるという利点がある。
【００５４】
また、拡散防止層３については、従来の二酸化シリコンを用いることが可能であるので、これについても従来通りの工程で行なうことが可能であるため好都合である。特に、拡散防止層３は、基板からの不純物の拡散を防ぐという重要な機能を有する膜であり、従来から用いられている材料をそのまま用いることができれば、工程の再検討が必要なく、極めて好都合となる。すなわち、本発明のデバイス製造方法の一形態は、従来のデバイス製造方法における半導体薄膜を設ける工程とレーザによるアニール処理工程との間に光学膜を設ける工程を挿入し、かつレーザによるアニール処理工程と後の工程の間に光学膜を除去する工程を挿入すればよく、従来の方法に対して変更すべき箇所が少なく、従来の方法からの移行が容易であるといえる。
【００５５】
つぎに、図２に本発明の製造方法の第２の実施の形態を示す。本実施の形態では、まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板２０４の上に、拡散防止層２０３と、半導体膜２０２を設ける。半導体膜２０２の材料としては、通常、アモルファスシリコンを用い、CVD法により形成するが、成膜方法としては、スパッタ法または蒸着法などを用いることも可能である。半導体膜２０２の厚さは、求められるトランジスタの特性や、プロセス条件などにより様々であるが、数十nm〜数百nmとすることができ、通常は３０〜１００nmの膜厚とし、さらに半導体膜２０２の上に、光学膜２０１を形成する。光学膜２０１の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウムなどの窒化物、酸化シリコン、二酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの酸化物が適している。そして、ここまでは、第１の実施の形態と同じであり、同等の材料、方法を用いて行なうことができる。
【００５６】
つづいて、図２（ｂ）に示すように、光学膜２０１の一部を除去することにより、光学膜の厚さの薄い領域２０１ａと、光学膜の厚さの厚い領域２０１ｂとにパターン化する。パターン化の方法としては、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチング、あるいはドライエッチングを用いたエッチング法を組み合せて行なうことができる。しかし、パターニングの際、第１の実施の形態とは異なり、第２の実施の形態では、光学膜２０１をすべて除去するのではなく、一部が残存するようにエッチングを途中で終了する。このときの平面的な形状としては、第１の実施の形態における第１の光学膜のパターン（図１における１a，１b）と同様に、光学膜を厚く残存させ、その他の領域の膜厚を薄くするようにパターニングする。すなわち、光学膜２０１を、図１における１a，１bが積層する領域だけ厚く残し、他の領域を薄くなるよう除去する。
【００５７】
ここで、エッチング後の光学膜２０１の膜厚は、光学膜２０１が厚い領域２０１ｂと、薄い領域２０１ａの、それぞれの反射率が等しくなるように設定する。また、領域２０１ｂの反射率と領域２０１ａの反射率がともに低くなるように設定するのが好ましい。このような条件を実現するためには、図８に示すように、形成する光学膜の膜厚として、たとえばD３近傍を選択し、その光学膜をエッチングするエッチング量をD３-D１とすればよい。すなわち、光学膜の薄い領域２０１ａ（エッチングされた領域）は、反射率が極小となる膜厚（すなわち、D１近傍）を選択し、光学膜の厚い領域２０１ｂ（すなわち、エッチングされず、そのまま残される領域の膜厚）は、反射率が極小となる膜厚（すなわち、D３近傍）になるよう選択する。
【００５８】
つぎに、図２（ｃ）に示すように、光学膜を通して、半導体膜に第１のレーザ光Ｌの照射を行なって、半導体膜を溶融させた後、図２（ｄ）に示すように、結晶化を生じせしめる。図２（ｄ）に示す横方向の矢印は、結晶の成長方向を示す。第２の実施の形態では、光学膜２０１の膜厚の厚い領域２０１ｂの下部、および薄い領域２０１ａの下部の半導体膜がともに高温となり、半導体膜は溶融し、横方向に結晶化される。このような現象が生じる理由は、第１の実施の形態の場合と同様であって、図４に示すように、光学膜の厚い領域と薄い領域は、同じか、または実質的に同じ反射率に設定されているため、照射したレーザ光に対し、同じ量の光が吸収され、同じように半導体膜がの溶融する。しかし、厚い領域と薄い領域の境界付近では、反射率が高くなり、局所的にレーザ光の吸収量が小さくなって、境界付近の温度のみが低くなる。これは、膜厚はD３からD１に連続的に変化しており、その間で反射率の高い膜厚D２を必ず通過し、膜厚D２の付近では必ず反射率が高くなり、光の吸収量が減って、温度が低くなるからである。
【００５９】
また、光学膜の厚さの薄い領域におけるレーザ光の反射率と、光学膜の厚さの厚い領域におけるレーザ光の反射率が小さくなるように設定する態様が、半導体膜を高温に加熱できる点で好ましい。このように、結晶化の過程は、第１の実施の形態と同じであり、以降の工程も第１の実施の形態と同様であって、図５に示すような形状の結晶を得ることができ、第１の実施の形態と同等の効果を得ることができる。一方、第２の実施の形態の場合、第１の実施の形態に比べ、光学膜の製膜の回数が２回から１回に削減できるため、製造工程の簡素化につながり、コストを削減できる点で有利である。
【００６０】
（半導体膜の製造装置）
本発明の半導体膜の製造装置は、上述の方法を実施する製造装置であって、第２のレーザ光の波長が９μｍ〜１１μｍであることを特徴とする。かかる製造装置によれば、全体に平坦で、表面に荒れがなく、酸素などの不純物が混入していない高品質の半導体膜を提供することができる。また、波長が９〜１１μｍのレーザ光を発振するレーザには、炭酸ガスレーザがあり、容易に高出力のレーザ光を発振できるため、低コストの製造装置を提供することができる。さらに、基板の温度上昇を最小限に抑えることができる点で、第２のレーザ光は、パルス状に照射し、第１のレーザ光の照射に先立ち、第２のレーザ光の照射を開始する製造装置が好ましい。かかる製造装置は、基板の冷却機構および熱膨張に対する補正装置などを設ける必要がないため、低コストの装置とすることができる点で有利である。
【００６１】
実施例１
本実施例では、図１（ａ）に示すように、ガラス基板４の上に、拡散防止層３として厚さ１５０nmの二酸化シリコン膜を蒸着により形成した。つぎに、拡散防止層３の上に、半導体膜２を形成した。半導体膜２としては、アモルファスシリコンを材料に用い、CVD法により、厚さ５０nm形成した。その後、半導体膜２上に、さらに第１の光学膜１を設けた。第１の光学膜１は、窒化アルミニウムを材料に用い、蒸着により厚さ８０nm形成した。つぎに、第１の光学膜１を、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチング法を組み合せて、図１（ｂ）に示すように、第１の光学膜が形成されている領域１ａ，１ｂと、第１の光学膜が形成されていないその他の領域とにパターニングした後、図１（ｃ）に示すように、基板全体に第２の光学膜５を形成した。第２の光学膜は、材料として窒化アルミニウムを用い、蒸着により厚さ３０nm形成した。その結果、基板上には、第１の光学膜と第２の光学膜とが重なり合った領域６と、第２の光学膜のみが形成された領域７が生じた。
【００６２】
つぎに、基板に対してレーザアニール処理を施した。レーザアニール処理のために用いた装置を図３に示す。本装置は、第１のレーザ光源３０８と、反射ミラー３０９と、開口部を形成したフォトマスク３１０と、対物レンズ３１１と、ガラス基板３１２を搭載して駆動を行なうステージ３１３を有する。また、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群３１４を設け、フォトマスク３１０の開口部にホモジナイザを通過させた光を照射し、開口部の像を対物レンズ３１１により基板３１２の表面に結像するように調整した。また、第１の光学膜のパターンを設けた領域が収まる領域にレーザ光が照射されるように設定し、第１のレーザ光源３０８に加えて、第２のレーザ光源３１５を設けた。第２のレーザ光源３１５からのビームは、第１のレーザ光源３０８からのビームの側方から斜め方向に基板３１２に照射する構成とし、基板上での第２のレーザ光の照射領域が、第１のレーザ光の照射領域の一部を含むように調整した。その後、図３のステージ３１３に、図１に示す薄膜を積層したガラス基板３１２を設置した。
【００６３】
レーザ光源は、第１のレーザには、波長３０８nm(XeCl使用)、パルス幅５０ns、平均出力が３００Wのエキシマレーザを用いた。また、第２のレーザには、波長１０．６μm、パルス幅１ms、ピーク出力が５kWの炭酸ガスレーザを用いた。レーザパルスの照射のタイミングは、第１のレーザであるエキシマレーザのパルス照射に先立ち、１ms前から、第２のレーザである炭酸ガスレーザの照射を開始し、エキシマレーザの照射を終了してから、２００ns経過後に、炭酸ガスレーザの照射を停止した。
【００６４】
図４において、第１の光学膜と第２の光学膜の積層された領域４０６での第１のレーザ光の反射率は３０％であり、第２の光学膜のみが積層された領域４０７での第１のレーザ光の反射率は３１％であった。したがって、領域４０６での反射率と領域４０７での反射率が実質的に等しく、かつ、それらの反射率はともに小さいものであった。レーザ光の照射により、領域４０６と領域４０７における半導体膜が選択的に溶融し、パルス照射が終了すると、溶融した部分は、結晶化した。得られた結晶は、領域４０６と領域４０７の境界４１６を起点として、パターンの幅方向に、また、それぞれ反対方向に成長し、柱状結晶であった。形成された結晶の状態を図５に示す。一回の溶融、結晶化により成長する結晶の長さは約５μｍであり、全体に表面が平坦な半導体膜であり、表面に荒れなどはなかった。
【００６５】
比較例１
実施例１における窒化アルミニウムからなる第１の光学膜の代わりに、厚さ１５０nmの二酸化シリコン膜を形成し、同様にパターニングし、二酸化シリコン膜の形成されていない領域と、二酸化シリコン膜の形成されている領域にパターン化した。また、第２の光学膜は形成しなかった。レーザ光源としては、実施例１における第１のレーザであるエキシマレーザのみを用いた。これらの点以外は、実施例１と同様にして半導体膜を製造し、レーザ光を照射した。得られた結晶の長さは、約１μｍ程度であった。また、半導体膜には、二酸化シリコン膜のある領域と、ない領域との間に段差があり、表面には無数の荒れが認められた。
【００６６】
今回開示された実施の形態および実施例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。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明によれば、結晶が一方向に成長した半導体膜が得られるため、結晶の成長方向にキャリアを流すような構造のトランジスタとすることにより、キャリアが粒界に散乱されることがなく、移動度の高いトランジスタを提供することができる。また、結晶の位置と方向を自由に制御できるため、トランジスタの配置および方向を自由に決めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の製造方法を示す工程図である
【図３】本発明のレーザアニール処理において使用する装置の構成図である。
【図４】本発明の半導体膜に吸収される光の分布を示す模式図である。
【図５】本発明により得られる半導体膜の結晶構造を示す平面図である。
【図６】本発明に用いるフォトマスクの平面図である。
【図７】本発明による結晶成長後の半導体膜の平面図である。
【図８】本発明により製造される半導体膜における光学膜の膜厚と反射率の関係を示す模式図である。
【図９】本発明におけるエキシマレーザのパルス信号と炭酸ガスレーザのパルス信号との関係を示す模式図である。
【図１０】反射防止膜を形成する従来の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  第１の光学膜、２  半導体膜、３  拡散防止層、４  ガラス基板、５  第２の光学膜。
【図１】
2005158942.tif 000003
【図２】
2005158942.tif 000004
【図３】
2005158942.tif 000005
【図４】
2005158942.tif 000006
【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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