(57)【要約】【課題】  安定した特性を有する半導体デバイスを提供するために、幅が広い針状結晶粒を有する半導体薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の半導体薄膜の製造方法は、レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し結晶化する方法であって、主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射することを特徴とする。かかる製造方法においては、主レーザ光の照射領域から遠い領域を照射する副レーザ光の放射照度が、主レーザ光の照射領域から近い領域を照射する副レーザ光の放射照度より小さい態様が好ましい。【選択図】        図１
2005347380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し結晶化する方法であって、
主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、
主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、
副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射する
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
主レーザ光の照射領域から遠い領域を照射する副レーザ光の放射照度が、主レーザ光の照射領域から近い領域を照射する副レーザ光の放射照度より小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
主レーザ光の照射領域は、副レーザ光の照射領域と一部において重畳し、重畳部の放射照度が他の照射領域の放射照度より小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
主レーザ光の透過部と、副レーザ光の透過部とを有するマスクパターンに、レーザ光を照射して、マスクパターンを半導体薄膜上に結像することを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
主レーザ光の透過部と、副レーザ光の透過部との間にある遮光部が、半導体薄膜上で解像しないことを特徴とする請求項４に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
副レーザ光の透過部の線幅が、主レーザ光の透過部の線幅より小さく、かつ、半導体薄膜上に解像できる線幅より大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し結晶化する製造装置であって、
主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、
主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、
副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射する
ことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光による加熱で、たとえば、絶縁性基板上に形成された非単結晶半導体薄膜を溶融し、結晶化する半導体薄膜の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス半導体薄膜を結晶化して多結晶半導体薄膜とし、多結晶半導体薄膜にトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、アモルファス半導体薄膜に直接トランジスタを形成したアモルファス薄膜トランジスタに比べて、電界移動度が大きいため、高速動作が期待でき、液晶デバイスの駆動系のみならず、ガラス基板上での大規模集積回路を実現できる可能性を有している。
【０００３】
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を形成し、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または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。
【０００４】
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。
【０００５】
多結晶半導体薄膜は、気相成長法によって得られるアモルファス半導体薄膜を、長時間、ガラスの歪点（約６００℃〜６５０℃）以下で熱アニールするか、レーザなどの高エネルギ密度を有する光を照射する光アニール法によって得られる。光アニール法では、ガラス基板の温度を歪点まで上昇させずに、半導体薄膜のみに高いエネルギを与えることが可能であるため、移動度が高い半導体薄膜の結晶化には非常に有効であると考えられる。
【０００６】
現状では、光アニール法における光源として、エキシマレーザのような大出力パルスレーザが用いられている。線状に整形したエキシマレーザ光をガラス基板上に連続的に照射するエキシマレーザアニーリング法（以下、「ＥＬＡ法」という。）が一般的である。この方法によって、粒径０．２μｍ〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このとき、レーザ光を照射した部分のアモルファス半導体は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部のアモルファス領域を残して溶融することによって、レーザ光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、半導体薄膜の最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位に結晶粒が形成される。
【０００７】
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、結晶の方位を制御することなどが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的として数多くの提案がなされている。その中でも特に、結晶を横方向に成長させるラテラル成長法と呼ばれる方法がある（特許文献１参照）。ラテラル成長法は、まず、数μｍ程度の微細幅のパルスレーザをシリコン薄膜に照射し、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し、凝固させて、結晶化を行なう。
【０００８】
ラテラル成長法では、溶融部と非溶融部の境界がガラス基板面に対して垂直に形成されるため、そこで発生した結晶核から結晶が全て横方向に成長する。その結果、１パルスのレーザ光照射により、ガラスの基板面に対して平行で、大きさが均一な針状の結晶粒が得られる。１パルスのレーザ光照射により形成される結晶の長さは１μｍ程度であるが、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように、順次レーザパルスを照射していくことにより、既に成長した結晶を引継いで、長い針状の結晶粒が得られるという特徴を有する。
【特許文献１】特許３２０４９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
矩形状に整形されたレーザ光を半導体薄膜に照射すると、図９に例示するように、溶融部９０と非溶融部の界面９３に、結晶核が無秩序に発生し、無秩序に発生した多数の結晶核から横方向に結晶が成長するため、針状結晶の幅は不均一となり、非常に幅の狭い結晶粒が形成される。また、両隣の結晶核より横方向に成長した針状結晶に成長を阻害され、結晶幅が狭く、かつ、結晶の長さが短い多数の針状結晶が無秩序に形成される。
【００１０】
１回のレーザ光の照射により結晶化した半導体薄膜上に半導体デバイスを作製すると、図１０（ｂ）に示すように、大きな針状結晶粒上に半導体デバイス１０１が形成される場合と、図１０（ａ）に示すように、結晶の幅が狭く、かつ、結晶の長さが短い針状結晶上に半導体デバイス１０１が形成される場合がある。その結果、半導体デバイス１０１の特性にバラツキが生じる。これは、図１０（ａ）に示すように、電子の移動方向に結晶粒界が存在するためである。
【００１１】
本発明の課題は、安定した特性を有する半導体デバイスを提供するために、幅が広い針状結晶粒を有する半導体薄膜の製造方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し結晶化する方法であって、
主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、
主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、
副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射する
ことを特徴とする。
【００１３】
かかる製造方法においては、主レーザ光の照射領域から遠い領域を照射する副レーザ光の放射照度が、主レーザ光の照射領域から近い領域を照射する副レーザ光の放射照度より小さい態様が好ましい。また、主レーザ光の照射領域は、副レーザ光の照射領域と一部において重畳し、重畳部の放射照度が他の照射領域の放射照度より小さい態様が好ましい。
【００１４】
主レーザ光の透過部と、副レーザ光の透過部とを有するマスクパターンは、レーザ光の照射により、マスクパターンを半導体薄膜上に結像する態様が望ましい。また、主レーザ光の透過部と、副レーザ光の透過部との間にある遮光部が、半導体薄膜上で解像しない態様が好適である。副レーザ光の透過部の線幅は、主レーザ光の透過部の線幅より小さく、かつ、半導体薄膜上に解像できる線幅より大きくする態様が好ましい。
【００１５】
本発明の半導体薄膜の製造装置は、レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し結晶化する製造装置であって、
主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、
主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、
副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ある一定の粒径を有する結晶粒をラテラル成長の結晶核とすることができるため、ラテラル結晶の結晶核の発生密度を抑制し、広い結晶幅をもつ針状結晶粒を有する半導体薄膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（半導体薄膜の製造方法）
本発明の半導体薄膜の製造方法は、レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し、結晶化する方法であって、主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射することを特徴とする。
【００１８】
従来から提案されているスーパーラテラル成長法では、図６（ａ）に示すように、１パルスのレーザ光の照射領域６１ａにおいて、矢印６２の方向に形成される結晶の長さ６３は、１μｍ程度である。また、図６（ｂ）に示すように、結晶のラテラル成長距離６１ａ以上の長さ６１ｂを溶融させた場合でも、溶融領域の中央部６４に微細な結晶が形成されるだけであり、より長い針状結晶を形成することはできない。しかし、本発明においては、シリコン薄膜を溶融することができる主レーザ光および副レーザ光からなる第１のレーザ光と、溶融したシリコンの冷却過程を制御することができる第２のレーザ光を用いる溶融結晶化法により、長く、幅の広い針状結晶を形成することができる。
【００１９】
本発明において使用する典型的なマスクを、図４に示す。本明細書においては、第１の開口部４１を透過したレーザ光を主レーザ光といい、第２の開口部４２を透過したレーザ光と、第３の開口部４３を透過したレーザ光と、第４以降の開口部を有するマスクにあっては、第４以降の開口部を透過したレーザ光とを副レーザ光という。また、図３に示すように、第１のレーザ光のほかに、第２のレーザ光を照射する態様においては、主レーザ光および副レーザ光は、第１のレーザ光に関するものをいう。
【００２０】
従来技術において、第１のレーザ光を整形するマスクは、図７（ａ）に示すように、単一の開口部７６を有するものであり、その場合のレーザ光は、図７（ｂ）に示すような放射照度分布を示す。このようなレーザ光を照射すると、溶融部と非溶融部との界面に、結晶核が無秩序に発生する。そのため、無秩序に発生した多数の結晶核から横方向に結晶が成長し、図９に示すように、針状結晶の幅は不均一となり、非常に幅の狭い結晶粒が形成される。
【００２１】
また、両隣りの結晶核から横方向に成長した針状結晶により、成長が阻害され、結晶幅が狭く、かつ、結晶の長さが短い多数の針状結晶が無秩序に形成される。特に、飛躍的に長い針状結晶が形成される場合には、結晶粒ごとの結晶の幅および結晶の長さの違いが顕著に現れる。
【００２２】
このため、１回のレーザ光の照射により結晶化した半導体薄膜上に、半導体デバイスを作製すると、図１０（ｂ）に示すような、大きな針状結晶粒上に半導体デバイス１０１が形成される場合と、図１０（ａ）に示すような、結晶の幅が狭く、かつ、結晶の長さが短い針状結晶上に半導体デバイス１０１が形成される場合があり、その結果、半導体デバイスの特性にバラツキが生じる。
【００２３】
本発明において使用する典型的なマスクを、図７（ｃ）に示す。かかるマスクにより整形される第１のレーザ光の放射照度分布を、図７（ｄ）に示す。図７（ｄ）に示すように、本発明のレーザ光は、半導体薄膜上において、第１の遮光部７４により、放射照度分布に凹部、すなわち、暗部７４ａが形成される。また、第１の開口部７１を透過するレーザ光の放射照度より、第２の開口部７２および第３の開口部７３をそれぞれ透過するレーザ光の放射照度の方が小さくなるように調整する。
【００２４】
調整は、第２の開口部７２および第３の開口部７３の線幅を、第１の開口部７１の線幅より狭くすることにより行なうことができる。図８に、レーザ光の結像面上での照射領域（スリット）の幅と放射照度との関係を示す。図８に示すように、結像面における照射領域の幅が３μｍの場合の放射照度は、照射領域の幅が１０μｍの場合の放射照度と比較して小さくなる。したがって、矩形マスクの開口部の線幅が狭い程、放射照度のピーク部（最明部）が小さくなる。
【００２５】
マスクの開口部を透過したレーザ光を集光する結像レンズのＭＴＦ（Modulus Transfer Function）は、一般に、空間周波数が大きい程、小さくなる。たとえば、マスクにおける開口部の線幅が１０μｍである場合の空間周波数は、１/（０．０１×２）＝５０（本／ｍｍ）であり、開口部の線幅が２μｍである場合の空間周波数は、１／（０．００２×２）＝２５０（本／ｍｍ）であり、また、開口部の線幅が１μｍである場合の空間周波数は、１／（０．００１×２）＝５００（本／ｍｍ）である。ＭＴＦは、像のコントラストを示しているので、マスクパターンの開口部の線幅を調整することにより、放射照度を任意に調整することができる。たとえば、開口部の線幅が広いと、空間周波数が小さく、ＭＴＦは大きくなって、放射照度を高めることができる。
【００２６】
本発明における結晶化処理について、図１を用いて説明する。レーザ光による溶融後、まず、溶融部１０と非溶融部の界面１３に多数の結晶核が形成される。つづいて、マスク上の第１の遮光部に相当する位置において、結晶核１２が形成される。第１の遮光部に相当する位置に形成された結晶核１２は、溶融部１０と非溶融部の界面１３に形成される結晶核とは異なり、周囲が加熱されているため、大きな結晶粒となる。さらに、マスク上の第１の開口部から第１の遮光部に相当する位置において、温度勾配があるため、第１の遮光部に相当する位置に形成された結晶核１２を種結晶として、第１の開口部を透過する主レーザの照射領域に、ラテラル成長する長い結晶１１が形成される。
【００２７】
従来から提案されているスーパーラテラル成長法において、単一の開口部を有する従来のマスクを用いる場合、ラテラル成長は、溶融部と非溶融部との界面において形成される結晶核より開始する。それに対して、本発明では、第１の遮光部に相当する位置において形成された大きな結晶粒が種結晶となり、ラテラル成長はその大きな種結晶より開始する。このため、大きな種結晶の結晶幅を引継いで横方向成長し、図１に示すように、主レーザ光の照射領域には、幅の広い結晶粒を得ることができる。
【００２８】
本発明の製造方法においては、レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し、結晶化する。したがって、主レーザ光と副レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有する。また、結晶化工程において、まず、溶融部と非溶融部との界面に結晶核を形成し、つぎに、主レーザ光の透過部と副レーザ光の透過部との間にある第１の遮光部に相当する位置に結晶核を形成し、最後に、主レーザ光の照射領域に、針状結晶を成長させる。このため、放射照度の低い副レーザ光を、放射照度の高い主レーザ光の周囲に照射し、また、放射照度の異なる複数の副レーザ光を照射して、加熱を調整する。かかる構成により、幅1μｍ以上の結晶を得ることができる。
【００２９】
主レーザ光の照射領域から遠い領域を照射する副レーザ光の放射照度を、主レーザ光の照射領域から近い領域を照射する副レーザ光の放射照度より小さくすることにより、溶融後の結晶化工程において、まず、溶融部と非溶融部との界面に結晶核を形成し、つづいて、第１の遮光部に相当する位置に形成する結晶核の周囲を加熱して、大きな結晶核とし、大きな結晶核を種結晶として、幅が広い結晶をラテラル成長させることができる。
【００３０】
副レーザ光は、主レーザ光の照射領域の周囲を照射する。副レーザ光を、主レーザ光の照射領域の周囲に照射するとは、図７（ｃ）と図７（ｄ）において、第２の開口部７２を透過する副レーザ光が、主レーザ光の照射領域の外縁部を照射する場合のように、副レーザ光の照射領域と主レーザ光の照射領域が重畳する態様が含まれる。また、第３の開口部７３を透過する副レーザ光が主レーザ光の照射領域の外回りを照射する場合のように、副レーザ光の照射領域と主レーザ光の照射領域が重畳する部分を有しない態様が含まれる。
【００３１】
第１の遮光部に相当する位置において、主レーザ光の照射領域と、副レーザ光の照射領域が重畳し、重畳部の放射照度が他の照射領域の放射照度より小さい態様が好ましい。かかる態様により、第１の遮光部に相当する位置において、大径の結晶核を形成することができる。同様に、主レーザ光の透過部と、副レーザ光の透過部との間にある第１の遮光部が半導体薄膜上に解像しない態様とすることにより、第１の遮光部に相当する位置における結晶核の形成を促進することができる。
【００３２】
主レーザ光の透過部と、副レーザ光の透過部とを有するマスクパターンに、レーザ光を照射して、マスクパターンを半導体薄膜上に結像する態様は、主レーザ光と副レーザ光により半導体薄膜を効率的に加熱する上で好ましい。また、副レーザ光の放射照度を、主レーザ光の放射照度より小さくする点で、副レーザ光の透過部の線幅は、主レーザ光の透過部の線幅より小さくするのが好ましい。しかし、副レーザ光により効率的に加熱するため、副レーザ光の透過部の線幅は、半導体薄膜上に解像できる線幅より大きい態様が好ましい。
【００３３】
一方、エキシマレーザのフルエンスが大きい場合、第１の遮光部の幅が狭い場合、第３の開口部が無い場合は、溶融部と非溶融部との界面で多数形成される結晶核を起点として、横方向に成長した結晶が、第１の遮光部に相当する位置に別の結晶核が形成される前に、第１の遮光部に相当する位置に到達しやすくなる。そのため、従来の単一の開口部を有するマスクパターンを用いた場合と同様の結晶化組織となりやすい。
【００３４】
また、エキシマレーザのフルエンスが小さい場合、第１の遮光部の幅が広い場合は、第１の遮光部に相当する位置に形成される結晶核の大きさが小さくなりやすいため、大きな結晶幅を有する針状結晶を形成しにくくなる。
【００３５】
よって、本発明におけるマスクパターンは、所望する結晶長が形成されるレーザ光照射条件に合わせて、第２の開口部、第３開口部、第１の遮光部および第２の遮光部のそれぞれの幅を設定するのが好ましい。また、本発明における開口部の数も３個に限定されるものではなく、第４の開口部など任意に設定することが可能である。本発明により、図２に示すように安定した特性を有する半導体デバイス２１を提供することが可能となる。
【００３６】
（半導体薄膜の製造装置）
本発明の半導体薄膜の製造装置は、レーザ光の照射により半導体薄膜を溶融し、結晶化する製造装置であって、主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、主レーザ光は、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、副レーザ光は、主レーザ光の放射照度より小さく、半導体薄膜を溶融する放射照度を有し、主レーザ光の照射領域の周囲を照射することを特徴とする。かかる製造装置により、幅が広く、長い結晶を有する半導体薄膜を製造することができる。
【００３７】
本発明の半導体薄膜の製造装置の具体例を図３に示す。図３に示すように、この製造装置は、第1のレーザ光発振器３１１、第２のレーザ光発振器３１２、アッテネータ３３１、３３２、均一照射光学系３５１、３５２、マスク３７１、３７２、半導体基板３３をＸＹ方向に所定の速度で移動できるステージ３４、結像レンズ３０１、３０２、ミラー３２１、３２２および制御装置３５を備える。
【００３８】
第１のレーザ光発振器３１１は、パルス状のエネルギビームを照射し、半導体膜を溶融することが可能であれば、特に限定されるものでなく、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどを用いることができる。また、紫外域の波長を有する光源が望ましく、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを好ましく用いることができる。第１のレーザのフルエンスは、３０００〜５０００Ｊ／ｍ2（３００〜５００ｍＪ／ｃｍ2）が好適である。
【００３９】
第２のレーザ光発振器３１２には、レーザ光を連続照射するもの、または、パルス照射するものなどを用いることができるが、溶融シリコンに吸収されるレーザ光を発振するものが好ましい。たとえば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０．６μｍのＣＯ２レーザを好ましく用いることができる。
【００４０】
アッテネータ３３１、３３２は、第１のレーザ光発振器３１１および第２のレーザ光発振器３１２から照射されたレーザをそれぞれ所定の光量に減衰させ、放射照度を調整する機能を有する。
【００４１】
均一照射光学系３５１、３５２は、レーザ光発振器から照射したレーザ光の放射照度分布を均一化する機能を有する。
【００４２】
結像レンズ３０１は、半導体薄膜上に、マスク３７１の開口部を透過した第１のレーザ光３１を所定の倍率で結像させる機能を有する。この像は、マスクパターンと相似形となる。同様に、結像レンズ３０２は、半導体薄膜上に、マスク３７２の開口部を透過した第２のレーザ光３２を所定の倍率で結像させる機能を有する。この像は、マスクパターンと相似形となる。
【００４３】
ミラー３２１、３２２は、レーザ光を折返すために用いるが、配置箇所および数量に制限はなく、装置の光学設計および機構設計に応じて、適切に配置することが可能である。
【００４４】
制御装置３５は、第１のレーザ光と第２のレーザ光の照射のタイミングを制御する機能を有する。また、制御装置３５は、ステージ３４の位置制御、レーザ光照射目標位置の記憶、装置内部の温度制御および装置内部の雰囲気などを制御する機能を有する。
【００４５】
マスク３７１、３７２は、レーザ光が透過する開口部（透過部）と、レーザ光が透過しない遮光部とからなり、均一照射光学系３５１、３５２によって、放射照度分布が均一化されたレーザ光の一部を開口部によって透過し、遮光部によって遮光する機能を有する。
【００４６】
マスクの開口部の形状であるマスクパターンは、たとえば、図４に示すように、矩形の第１の開口部（第１の透過部）４１と、第１の開口部４１の周辺に、第２の開口部４２と、第３の開口部４３とを有する。第１の開口部４１と第２の開口部４２の間には、第１の遮光部４４が形成されている。また、第２の開口部４２と第３の開口部４３の間には、第２の遮光部４５が形成されている。
【００４７】
第２の開口部４２と第３の開口部４３とは、いずれも、レーザ加工装置の光学系が有する解像線幅以上の幅があり、また、いずれも、第１の開口部４１の幅より狭いものが好ましい。一方、第１の遮光部４４と第２の遮光部４５とは、レーザ加工装置の光学系が有する解像線幅以下の幅を有するものが好ましい。マスクパターンの具体的な寸法は、レーザ光照射条件に合わせて任意に設定することが可能であり、第１の開口部の幅は、形成したい結晶の長さの２倍程度が好ましい。
【００４８】
マスクパターンを、結像レンズ３０１、３０２を用いて基板上に結像させるが、レンズは回折限界光学系であることから、解像度には限界がある。解像の限界幅である解像線幅Ｒは、光の波長λ、レンズの開口率ＮＡおよび定数ｋにより、
Ｒ＝ｋ×λ／ＮＡ
と表すことができる。
【００４９】
たとえば、解像線幅Ｒが１．０μｍである光学系を用いる場合、図４において、第１の遮光部４４の線幅４４ｗと、第２の遮光部４５の線幅４５ｗとを、少なくとも１．０μｍ未満とすると、遮光部は半導体薄膜上に解像しなくなる。
【００５０】
実施例１
本実施例で用いた具体的な半導体基板の膜構造を図５に示す。図５に示すとおり、厚さ０．７ｍｍのガラス基板５２上に、厚さ１００ｎｍの酸化珪素膜（ＳｉＯ２）５３と、厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）５４を、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成した。
【００５１】
つぎに、本実施例におけるレーザ光照射方法について説明する。図３に示すように、第１のレーザ光発振器３１１は、波長３０８ｎｍのレーザ光を照射するエキシマレーザを用い、第１のレーザ光のフルエンスは３５００Ｊ／ｍ2（３５０ｍＪ／ｃｍ2）とした結果、第１のレーザ光の照射により半導体薄膜は溶融した。
【００５２】
第１のレーザ光に使用したマスクパターンは、図４に示すように、第１の開口部４１と、第１の開口部４１の周囲に、第２の開口部４２と第３の開口部４３を形成したものを用いた。このため、第２の開口部４２と第３の開口部４３を透過する副レーザ光は、第１の開口部４１を透過する主レーザ光の照射領域の周囲を照射した。また、開口部の寸法は、結像面上で、第１の開口部４１の線幅を１０μｍ、第２の開口部４２の線幅を２μｍ、第３の開口部４３の線幅を１μｍとした。このため、図８の実験結果からも明らかなとおり、主レーザ光と、複数の放射照度の異なる副レーザ光を照射し、副レーザ光は主レーザ光の放射照度より小さくなった。また、主レーザ光および副レーザ光はともに、半導体薄膜を溶融し得る放射照度を有していた。
【００５３】
マスクにおける第１の遮光部４４の線幅は、結像面上で、０．５μｍ、第２の遮光部４５の線幅は０．２５μｍした。第１のレーザ光については、解像線幅が１．０μｍの光学系を用いたため、遮光部４４，４５は、解像しなかった。結像レンズ３０１の倍率は１／４とした。
【００５４】
第２のレーザ光発振器３１２は、波長１０．６μｍのレーザ光を照射するＣＯ2レーザを用いた。第２のレーザ光３２のパルス幅は１２０μｓｅｃ、フルエンスは８５００Ｊ／ｍ2とした。第２のレーザ光３２は、基板３３上におけるサイズが５．５ｍｍ×５．５ｍｍの矩形状に整形した。
【００５５】
図３に示すように、半導体基板３３上には、まず、第２のレーザ光を照射した後、第１のレーザ光を照射した。半導体基板３３に、第１のレーザ光３１を垂直方向から入射し、第２のレーザ光３２を斜め方向から入射した。
【００５６】
レーザ光の照射により半導体薄膜は溶融し、結晶化して、図１に示すような結晶構造が得られた。結晶１１のサイズは、長さが５μｍ、幅が１μｍであった。つぎに、図２に示すように、針状結晶上に半導体デバイスを形成すると、電子の移動方向に結晶粒界がないため、安定した特性を有する半導体デバイスを製造することができた。
【００５７】
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】
【００５８】
本発明によれば、安定した特性を有する半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の製造方法により得られた半導体薄膜の結晶構造を示す図である。
【図２】本発明の製造方法により得られた半導体薄膜を活性層とする半導体デバイスを示す図である。
【図３】本発明の半導体薄膜の製造装置の構成を示す図である。
【図４】本発明における第１のレーザ光を整形するマスクの平面図である。
【図５】本発明における半導体基板の構造を示す断面図である。
【図６】従来から提案されているスーパーラテラル成長法により形成される結晶構造を示す図である。
【図７】第１のレーザ光を整形するマスクとビームの放射照度分布との関係を示す図である。
【図８】レーザ光の結像面上での照射領域の幅と放射照度との関係を示す図である。
【図９】従来の結晶化法により得られた半導体薄膜の結晶構造を示す図である。
【図１０】従来の結晶化法により得られた半導体薄膜を活性層とする半導体デバイスを示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  溶融部、１１  結晶、１２  結晶核、１３  溶融部と非溶融部の界面、２１  半導体デバイス、４１  第１の開口部、４２  第２の開口部、４３  第３の開口部、４４  第１の遮光部、４５  第２の遮光部。
【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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