(57)【要約】表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する。薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心軸からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる。
2004040628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）の後、さらに、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は完全には溶融せず、該結晶粒に接する領域の前記薄膜は溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、該結晶粒を種結晶として、前記帯状領域の両側に結晶を成長させる工程を有する請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）において、パルスレーザビームの入射領域の移動方向前方側の縁と中心線との間の領域のうち、該縁からある距離だけ隔てられ、かつ前記第１の帯状領域からもある距離だけ隔てられ、長軸方向に延在する第２の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させ、
前記工程（ｃ）の後、さらに、
（ｄ）パルスレーザビームの入射位置を短軸方向に移動させながら、前記薄膜にパルスレーザビームを入射させ、前記第１の帯状領域から前記第２の帯状領域に向かって成長した結晶粒と、前記第２の帯状領域から前記第１の帯状領域に向かって成長した結晶粒とを接触させる工程を有する請求項２に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）の後、さらに、
（ｅ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は溶融せず、前記第１の帯状領域に挟まれた領域、及びビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側の縁に接する領域の前記薄膜が溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、溶融した領域に結晶粒を発生させる工程を有し、
該工程（ｅ）において、前記第１の帯状領域に挟まれた領域内に発生した結晶粒が、その両側の第１の帯状領域内に発生している結晶粒に接触し、ビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側に発生した結晶粒が、該第１の帯状領域内に発生している結晶粒に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）の後、さらに、
（ｅ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は溶融せず、前記第１の帯状領域に挟まれた領域、及びビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側の縁に接する領域の前記薄膜が溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、前記第１の帯状領域に挟まれた溶融領域内においては、両側の前記第１の帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させ、両側から成長した結晶粒同士を接触させ、ビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側の溶融領域においては、該第１の帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させる請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項６】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）において、パルスレーザビームを１ショット入射させた後、溶融した部分が完全に固化する前に、同じ位置に２ショット目を入射させる請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ）で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上である請求項８に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）において、前記第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第１の帯状領域までの間隔が１５μｍ以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１１】
（ｉ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｊ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第１の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる工程と
を有し、
パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である多結晶膜の製造方法。
【請求項１２】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上である請求項１１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｊ）において、パルスレーザビームを１ショット入射させた後、溶融した部分が完全に固化する前に、２ショット目を入射させる請求項１１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｊ）の後、さらに、
（ｋ）パルスレーザビームの入射位置をビーム入射領域の短軸方向に移動させながら、次々にパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程を有し、
１回の溶融と固化のためのパルスレーザビームの入射は、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第２の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第２の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第２の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触し、かつ移動方向の後方側の第２の帯状領域内に発生した結晶粒が、移動方向の後方側に既に形成されている結晶粒に接触する条件で行われる請求項１１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１５】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｊ）において、前記第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第１の帯状領域までの間隔が１５μｍ以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する請求項１１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１７】
（ｐ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｑ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、溶融した領域の縁において２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下であるビームプロファイルのパルスレーザビームを入射させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（ｑ）において入射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、溶融した領域の縁において１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上である請求項１７に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１９】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１７に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｑ）において、パルスレーザビームを１ショット入射させた後、溶融した部分が完全に固化する前に、同じ位置に２ショット目を入射させる請求項１７に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２１】
前記工程（ｑ）において、前記第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第１の帯状領域までの間隔が１５μｍ以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する請求項１７に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２２】
下地基板の表面上に形成された多結晶材料からなる多結晶膜であって、各々が基板面内の第１の方向に連なった複数の結晶粒からなる複数の結晶粒列を含む多結晶膜。
【請求項２３】
前記結晶粒列は、前記第１の方向と直交する第２の方向に配列し、該結晶粒列内の結晶粒は、隣接する結晶粒列内の結晶粒に接触している請求項２２に記載の多結晶膜。
【請求項２４】
前記結晶粒列の幅が一定である請求項２２に記載の多結晶膜。
【請求項２５】
前記結晶粒列は、前記第１の方向と直交する第２の方向に複数個配置され、各結晶粒列内の結晶粒の前記第２の方向の平均の大きさが１．５μｍ以上である請求項２２に記載の多結晶膜。
【請求項２６】
前記結晶粒列内の結晶粒の前記第１の方向の平均の大きさが０．７μｍ以上である請求項２２に記載の多結晶膜。
【請求項２７】
前記結晶粒列の一方の縁に接する領域に、該結晶粒列内の結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域の幅が１５μｍ以上である請求項２２に記載の多結晶膜。
【請求項２８】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有し、該ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなり、非対称な第１の形状であるパルスレーザビームを、少なくとも１ショット前記薄膜に入射させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置が、前記薄膜の表面上において、該パルスレーザビームのビーム断面の長軸方向と交差する方向に移動し、かつ前回のショットで照射された領域と部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置と前記加工対象物との少なくとも一方を移動させる工程と、
（ｄ）光強度分布が前記第１の形状を有するパルスレーザビームを、前記薄膜に、少なくとも１ショット入射させる工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）と工程（ｄ）とを交互に繰り返す工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項２９】
前記工程（ｂ）において、ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなる形状を有する分布のうち、一方の第１の裾野の、第１の光強度以下の部分がマスクで遮光され、他方の第２の裾野の部分は遮光されていないか、または該第２の裾野の、該第１の光強度よりも低い第２の光強度以下の部分が遮光されることにより、前記パルスレーザビームが得られる請求項２８に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３０】
前記工程（ｂ）において、ビーム断面の前記第１の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成され、
前記工程（ｃ）において、ビーム断面の前記第２の裾野側が移動方向の前方になるように、パルスレーザビームの入射位置が前記薄膜上を相対的に移動し、その移動距離は、前回の照射でビーム断面の前記第１の裾野側の縁から成長した結晶粒に、ビーム断面の第１の裾野側の縁が接するかまたは重なる距離であり、
前記工程（ｄ）において、前回の照射で成長した結晶粒を種結晶として、該種結晶からビーム断面の内側に向かって結晶を成長させる請求項２９に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３１】
前記工程（ｂ）において、ビーム断面の前記第１の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成され、
前記工程（ｃ）において、ビーム断面の前記第１の裾野側が移動方向の前方になるように、パルスレーザビームの入射位置が前記薄膜上を相対的に移動し、
前記工程（ｄ）で照射されるパルスレーザビームの、前記薄膜表面におけるパルスエネルギ密度は、前回までの照射で前記第１の裾野側に形成された結晶粒が再溶融しない大きさであり、ビーム断面の前記第１の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成される請求項２９に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３２】
前記工程（ｃ）において、パルスレーザビームの入射位置の移動距離は、前記工程（ｄ）で成長する結晶粒が、前回の照射で形成された結晶粒に接する距離である請求項３１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３３】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項２８に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３４】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有し、該ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなる形状を有する分布のうち、少なくとも一方の第１の裾野の部分がマスクで遮光された第１の形状であるパルスレーザビームを、少なくとも１ショット前記薄膜に入射させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置が、前記薄膜の表面上において、該パルスレーザビームのビーム断面の長軸方向と交差する方向に移動し、かつ前回のショットで照射された領域と部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置と前記加工対象物との少なくとも一方を移動させる工程と、
（ｄ）光強度分布が前記第１の形状を有するパルスレーザビームを、前記薄膜に、少なくとも１ショット入射させる工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）と工程（ｄ）とを交互に繰り返す工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項３５】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に結晶粒を発生させ、該第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域を形成する工程と
を有する結晶膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
１．技術分野
本発明は、結晶膜の製造方法及び結晶膜に関し、特にアモルファス膜にレーザビームを入射させて結晶化させる結晶膜の製造方法及び製造された結晶膜に関する。
結晶膜は、低温型多結晶ＴＦＴ液晶ディスプレイ、太陽電池パネル、ペーパ型液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等に使用することができる。
２．背景技術
エキシマレーザをアモルファスシリコン薄膜に入射させて溶融及び固化を繰り返し、横方向（薄膜の面内方向）に結晶を成長させる逐次的横方向成長（ＳＬＳ：Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術が知られている。以下、従来のＳＬＳ技術について説明する。
パルスレーザビームの断面を長尺化した後、例えば幅３〜３０μｍ、長さ１００μｍ程度のスリットを通過させる。スリットを通過したパルスレーザビームを、スリットをアモルファスシリコン薄膜の表面に結像させる結像光学系を通して、アモルファスシリコン膜に入射させる。この結像光学系の倍率は、例えば１／３である。このとき、アモルファスシリコン膜の表面におけるレーザビームの被照射領域の幅が約１〜１０μｍ、長さが約３３μｍになる。被照射領域の幅方向のビーム強度分布は、矩形に近くなる。
レーザビームがアモルファスシリコン膜に入射すると、アモルファスシリコンが溶融する。溶融した領域の縁近傍部分の冷却速度が内部の冷却速度よりも速いため、縁近傍部分から固化が始まる。固化した部分が核となり、この核から溶融部分の内側に向かって結晶が成長する。被照射領域の長い方の２つの縁から結晶成長が始まるため、被照射領域の幅方向のほぼ中央に、両側から成長してきた結晶粒の粒界が形成される。
パルスレーザビームの被照射領域を、その幅方向に、その幅の約５０％だけ移動させて、２回目のパルスレーザビームを入射させる。１回目のパルスレーザビーム照射時の被照射領域のほぼ中央に形成された粒界の片側の領域が再溶融する。再溶融しなかった領域の結晶粒が種結晶となり、再溶融した領域で結晶が成長する。
パルスレーザビームの被照射領域を移動させながら、レーザ照射を繰り返すことにより、結晶を、被照射領域の移動方向に成長させることができる。
下記の特許文献１〜３に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用い、ビーム断面を線状に整形して、アモルファスシリコン層に照射し、横方向に結晶を成長させる技術が開示されている。また、特許文献４及び５に、エキシマレーザを用い、パターン化されたマスクを通してアモルファスシリコン層に照射し、横方向に結晶を成長させる技術が開示されている。
（特許文献１）  特開２０００−２６０７３１号公報
（特許文献２）  特開２０００−２８６１９５号公報
（特許文献３）  特開２０００−２８６２１１号公報
（特許文献４）  特表２０００−５０５２４１号公報
（特許文献５）  特開２００１−２７４０８８号公報
より大きな結晶粒を形成する技術が望まれている。本発明の目的は、横方向に結晶を成長させる新たな技術を提供することである。
３．発明の開示
本発明の一観点によると、（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心軸からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程とを有する多結晶膜の製造方法が提供される。
本発明の他の観点によると、（ｉ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｊ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第１の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる工程とを有し、パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である多結晶膜の製造方法が提供される。
本発明の他の観点によると、（ｐ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｑ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、溶融した領域の縁において２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下であるビームプロファイルのパルスレーザビームを入射させる工程とを有する多結晶膜の製造方法が提供される。
上述の条件でパルスレーザビームを照射することにより、大きな結晶粒を形成することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略平面図である。
図２Ａは、加工対象物の断面図、及び第１の実施例で使用されるパルスレーザビームの、加工対象物表面におけるパルスエネルギ密度分布を示すグラフであり、図２Ｂは、多結晶化された加工対象物の模式的な平面図である。
図３は、第１の実施例による方法で作製した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図である。
図４Ａは、溶融したシリコンの温度と結晶成長速度との関係を示すグラフであり、図４Ｂは、温度と核生成率との関係を示すグラフである。
図５Ａは、ビーム断面の幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフであり、図５Ｂは、パルスエネルギ密度分布の勾配と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
図６は、パルス幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
図７は、１箇所に２ショットのパルスレーザビームを入射させる場合の、レーザビーム波形の一例を示すグラフである。
図８は、第２の実施例による多結晶膜の製造方法における製造途中の薄膜断面を模式化した図である。
図９は、第２の実施例による方法で製造した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図である。
図１０は、１照射あたりの結晶成長の長さと、全面を多結晶化させるために必要なオーバラップ率との関係を示すグラフである。
図１１は、単結晶シリコンとアモルファスシリコンの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
図１２Ａは、第３の実施例による多結晶膜の製造方法で使用されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布と多結晶化領域との関係を示す図であり、図１２Ｂは、製造された多結晶膜の模式的な平面図である。
図１３Ａは、第４の実施例による多結晶膜の製造方法で使用されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布と多結晶化領域との関係を示す図であり、図１３Ｂは、製造された多結晶膜の模式的な平面図である。
図１４は、第５の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる処理対象基板と遮光板の断面図、及びパルスエネルギ密度の分布を示すグラフである。
図１５Ａ〜図１５Ｃは、第５の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
図１６は、第６の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる処理対象基板と遮光板の断面図、及びパルスエネルギ密度の分布を示すグラフである。
図１７Ａ〜図１７Ｃは、第６の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
５．発明を実施するための最良の形態
図１に、本発明の実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。レーザ光源７１から出力されたパルスレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にするとともに、その長軸方向に関する強度を均一にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板に入射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
図２及び図３を参照して、第１の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図２Ａに、加工対象物１の断面図、及び加工対象物１の表面におけるレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。加工対象物１は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板２、その表面を覆う厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜３、及びその表面上に形成された厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜４からなる３層構造を有する。酸化シリコン膜３は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）またはスパッタリングで形成される。アモルファスシリコン膜４は、例えば減圧ＣＶＤ（ＬＰ−ＣＶＤ）またはプラズマ励起型ＣＶＤ（ＰＥ−ＣＶＤ）で形成される。
ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布５はガウス分布で近似することができる。アモルファスシリコンを完全に溶融させる閾値Ｅｔｈ以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが入射した領域６内のアモルファスシリコン膜４が完全に溶融する。ここで「完全に」とは、シリコン膜が全厚さにわたって溶融することを意味する。
それよりも外側の、パルスエネルギ密度が閾値ＥｔｈからＥｃの間の領域１２においては、シリコン膜が部分的に溶融する。ここで「部分的に」とは、シリコン膜の一部は溶融するが、アモルファス状態のままで溶融しない部分も残存することを意味する。パルスエネルギ密度がＥｃになる位置よりも外側の領域９のアモルファスシリコン膜４は溶融しない。溶融したシリコンが固化するとき、シリコンの結晶粒が形成される。
本願発明者は、パルスエネルギ密度が閾値Ｅｔｈになる位置の近傍の帯状領域７内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それよりも内側の領域８内に、小さな微結晶粒が形成され、領域１２内においては、領域８内の結晶粒の大きさと帯状領域７内の結晶粒の大きさとの中間の大きさの結晶粒がランダムに分布することを発見した。ここで、「結晶粒の大きさ」は、当該領域内に分布する結晶粒の平均の大きさを意味する。
図２Ｂに、パルスレーザビームが照射された領域の模式的な平面図を示す。図２Ｂの縦方向が、ビーム入射領域の長軸方向に対応する。ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁１０と中心線１１との間に、長軸方向に延在する帯状領域７が配置される。帯状領域７は、ビーム入射領域の縁１０からある間隔を隔てて配置されている。帯状領域７内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒１３が形成される。
パルスレーザビームの短軸方向に関する強度分布はガウス分布で近似される。短軸方向の強度分布の半値幅を、ビーム幅と呼ぶこととする。実際には、加工対象物表面におけるビーム幅に相当する領域の両側にも、ガウス分布の裾野の部分のビーム成分が照射される。ビーム入射領域の縁１０は、例えば、パルスエネルギ密度の最大値の１０％となる部分と定義することができる。
図３に、多結晶化されたシリコン膜の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）をスケッチした図を示す。入射したパルスレーザビームは、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍまたは５２４ｎｍ）であり、パルス幅は１００ｎｓである。加工対象物表面におけるビーム断面の長軸方向の長さは５ｍｍ、ビーム幅は０．２ｍｍである。
加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の２つのパルスレーザビームを、同一箇所に同時に照射した。このため、実効的なパルスエネルギ密度は、１Ｊ／ｃｍ２になる。なお、パルスエネルギ密度は、パルスエネルギを、加工対象物表面におけるビーム断面の面積で除すことにより計算した。
帯状領域７内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それらが長軸方向に連なっていることがわかる。これらの結晶粒の、短軸方向の長さは１．５〜２μｍ程度であり、長軸方向の大きさは０．７〜１．５μｍ程度である。２本の帯状領域７の間の領域８に、多数の微結晶粒が形成されている。
また、帯状領域７よりも外側の領域１２内には、領域８内の微結晶粒よりも大きく、帯状領域７内の結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに配置されていることがわかる。ランダム分布領域１２よりも外側の領域９はアモルファス状態のままである。顕微鏡で観察することにより、これらの領域の境界を、色の差として検出することができる。
次に、図３に示したような種々の大きさの結晶粒が発生する機構について考察する。
図４Ａに、シリコン結晶の成長速度の温度依存性を示し、図４Ｂに、結晶成長の核生成率の温度依存性を示す。図４Ａの縦軸は、成長速度を単位「ｍ／ｓ」で表し、図４Ｂの縦軸は、核生成率を単位「１／ｃｍ３・ｓ」で表し、両者の横軸は温度を単位「Ｋ」で表す。なお、図４Ａ及び図４Ｂのグラフは、１９９９年７月１４日に行われた日本塑性加工学会シミュレーション統合システム分科会第２１回ＦＥＭセミナーの資料集第２２号第２７〜３２頁に掲載された市嶋大路（住友重機械工業株式会社）による「多結晶体の動的結晶成長過程のミクロ解析」の手法から得たものである。
図４Ａに示すように、単結晶シリコンの融点（１６８３Ｋ）において成長速度が０であり、温度が低下するに従って成長速度が速くなる。温度１５００Ｋ近傍において、成長速度が最大値を示す。従って、溶融しているシリコンの温度が低いほど、成長速度が速くなる。なお、成長速度は、固相部分と液相部分との界面における温度勾配にも依存し、温度勾配が急峻であれば、成長速度が速い。
図４Ｂに示すように、核生成率は、シリコンの融点から温度が低下するに従って大きくなり、温度６００Ｋ近傍で最大値を示す。
図３に示した帯状領域７は、核生成率が低くかつ成長速度が速い好適な温度及び固液界面における好適な温度勾配であった領域と考えられる。帯状領域７とアモルファス領域９との間の領域１２は、帯状領域７よりも温度が低いために核生成率が高く、かつ固液界面における温度勾配が緩やかであるために成長速度が遅かった領域と考えられる。この領域では、大きな結晶に成長する前に多くの核が発生したため、結晶粒が大きくなれなかったと考えられる。
微結晶領域８においては、温度の低下によって核が爆発的に発生し、成長速度よりも核生成が支配的であった領域と考えられる。核生成率が急激に高くなる温度まで冷却されると、帯状領域７内の結晶成長が、新たに発生した核によって妨げられ、結晶成長が停止する。結晶成長が停止した箇所が、帯状領域７と微結晶領域８との境界に相当すると考えられる。
より詳細には、領域１２においては、溶融した層とその下地層との界面に発生した核からの結晶成長（ヘテロジニアス成長）が支配的になり、微結晶領域８においては、溶融した層の内部に発生した核からの結晶成長（ホモジニアス成長）が支配的になると考えられる。ヘテロジニアス成長が支配的な領域とホモジニアス成長が支配的な領域との境界に、大きな結晶粒が形成されると考えられる。
大きな結晶粒を形成するためには、シリコンの溶融部分を、成長速度が速くかつ核生成率の低い好適な温度勾配及び温度とすることが必要である。図２Ａに示した帯状領域７の位置における温度勾配が急峻であると、好適な温度に維持される領域が狭くなり、大きな結晶粒が形成されにくい。大きな結晶粒を形成するために、帯状領域７の近傍におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにすることが好ましい。
パルスエネルギ密度分布の勾配を急峻にしすぎると、核発生率が高まる。一方、パルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにしすぎると、成長速度が遅くなる。従って、成長速度が速くかつ核発生率の低い好適な温度及び固液界面の温度勾配とするには、パルスエネルギ密度分布の勾配に、急峻すぎず緩やかすぎない好適な範囲があるものと考えられる。
次に、図５を参照して、パルスエネルギ密度分布の好ましい形状について説明する。
図５Ａは、結晶粒の大きさと、加工対象物表面におけるビーム幅との関係を示す。横軸はビーム幅を単位「μｍ」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μｍ」で表す。結晶粒の大きさは、特開２００１−２９７９８３号公報に開示された結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
加工対象物は、厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜、及びその上に形成された厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜である。パルスレーザビームの波長は５２７ｎｍ、パルス幅（半値幅）は１４０ｎｓとし、ビーム入射領域のうち、パルスエネルギ密度がピーク値の半分となる位置よりも外側に１μｍの幅、内側に５μｍの幅を持つ合計６μｍの幅の領域についてシミュレーションを行った。これは、ピーク値の半分の値となる位置においてパルスエネルギ密度分布の勾配がほぼ最大を示し、この領域で大きな結晶粒が形成されるためである。
ビーム入射領域の短軸方向に関する強度分布はガウス分布とした。ビーム断面の幅が５．０μｍ、８．３μｍ、１６．７μｍ、及び８３．０μｍの４つの場合の各々について、種々のピーク強度でシミュレーションを行い、最大の結晶粒が得られた条件下での結晶粒の大きさを、そのビーム幅の時の結晶粒の大きさとした。ビーム断面の幅が５．０μｍ、８．３μｍ、１６．７μｍ、及び８３．０μｍの場合において、それぞれパルスエネルギ密度の最大値が１１００ｍＪ／ｃｍ２、１４００ｍＪ／ｃｍ２、１５００ｍＪ／ｃｍ２、及び１５００ｍＪ／ｃｍ２の条件の時に最大の結晶粒が得られた。
図５Ｂは、ピーク強度の半分の値を示す位置におけるパルスエネルギ密度分布の勾配と、結晶粒の大きさとの関係を示す。図５Ａの各評価点について、パルスエネルギ密度分布の勾配を計算し、図５Ｂのグラフを作成した。
図５Ｂに示すように、パルスエネルギ密度分布の勾配が２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍから増加するに従って、結晶粒が徐々に大きくなる。これは、結晶成長速度が速くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギ密度分布の勾配が１７０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ付近で結晶粒の大きさが最大値を示し、それよりも勾配を大きくすると、結晶粒は小さくなる。これは、パルスエネルギ密度の勾配が急峻になるために、固液界面における温度勾配も急峻になり、横方向への熱拡散によって冷却速度が速くなるためと考えられる。すなわち、十分な結晶成長時間が確保されず、結晶が大きく成長する前に、多数の核が発生してしまうためと考えられる。
図３に示した多結晶膜を作製したときの、パルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の位置における勾配は、１３ｍＪ／ｃｍ２／μｍであった。図３に示した帯状領域７内の結晶粒の短軸方向に関する大きさは１．５〜２μｍ程度であり、これは、図５Ｂに示したシミュレーション結果の傾向とほぼ同じである。なお、勾配を１８ｍＪ／ｃｍ２／μｍとした場合にも、図５Ｂに示したシミュレーション結果とほぼ同様の傾向が得られた。パルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の位置における勾配が１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上であれば、図５Ｂに示したシミュレーション結果とほぼ同様の傾向が得られるであろう。
図５Ｂに示したシミュレーション結果から判断すると、大きな結晶粒を形成するためには、図２Ａ及び図２Ｂに示した帯状領域７の位置（より厳密には、帯状領域７の外側の縁）におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下にすることが好ましい。また、勾配を１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上とすることが好ましい。なお、アモルファスシリコン膜の厚さを１００ｎｍにして同様のシミュレーションを行ったところ、厚さが５０ｎｍの場合とほぼ同様の傾向が得られた。
また、第１の実施例では、図２Ｂに示したように、結晶粒がランダムに分布する領域１２に、レーザビームの裾野の比較的強度の高い部分が入射する。領域１２に比較的強度の高いレーザビームが照射されることにより、この領域の温度が上昇する。このため、帯状領域７の温度及び固液界面における温度勾配が、大きな結晶粒を形成するために好適な条件を満たすようになる。結晶粒増大の十分な効果を得るために、領域１２の幅Ｗを１５μｍ以上にすることが好ましい。
次に、図６を参照して、パルス幅と結晶粒の大きさとの関係について説明する。
図６は、結晶粒の大きさとパルス幅との関係を示す。横軸はパルス幅を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μｍ」で表す。結晶粒の大きさは、上述の結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
加工対象物、パルスレーザビームの波長は、図５で説明した条件と同じである。また、加工対象物表面におけるビーム幅は、１６．７μｍとした。シミュレーション方法は、図５で説明した方法と同様である。
パルス幅を長くすると、形成される結晶粒が大きくなることがわかる。これは、パルス幅が長くなるに従って温度低下が緩やかになり、その結果、溶融部分が好適な温度に維持される時間が長くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギが一定の条件下でパルス幅を長くすると、パルスレーザビームのピーク強度が低下し、十分なパワー密度を維持できなくなる。従って、パルス幅の上限は、使用するレーザ光源の出力特性によって制限される。
レーザ光源としてエキシマレーザを使用する場合には、一般的にパルス幅が７０ｎｓ以下である。一般的に、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の全固体レーザには、パルス幅が２０〜３０ｎｓのものや、１００ｎｓ以上のものがある。より大きな結晶粒を形成するためには、パルス幅が１００ｍｓ以上のものを使用することが好ましい。
以上、シリコン溶融部分の温度状態を好適化するために、パルスエネルギ密度分布の形状及びパルス幅に着目して考察を行ったが、パルスレーザビームの入射後、溶融部分が完全に固化する前に、同じ位置に再度パルスレーザビームを入射させることによっても、温度状態を制御することが可能である。
図７に、加工対象物に入射させるレーザビームの波形の一例を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸はレーザビームの強度を表す。時刻ｔ１に１ショット目のパルスレーザビームＳ１が入射し、時刻ｔ２に２ショット目のパルスレーザビームＳ２が入射する。１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームのパルス幅（半値幅）は、それぞれＰＷ１及びＰＷ２である。図７では、２ショット目のパルスレーザビームのピーク強度が、１ショット目のパルスレーザビームのピーク強度よりも小さい場合を示しているが、両者を同一にしてもよい。
図７に示した１ショット目のパルスレーザビームＳ１の入射により、アモルファスシリコン膜が溶融する。温度の低下とともに核が発生し、核から結晶が成長する。核生成率が大きくなる温度まで冷却される前に、２ショット目のパルスレーザビームＳ２を入射させ、再加熱する。これにより、核生成を抑制し、結晶成長を継続させることができる。このため、大きな結晶粒を形成することが可能になる。
例えば、１ショット目の入射によって溶融した部分が完全に固化する前に、２ショット目のパルスレーザビームＳ２を入射させればよい。例えば１ショット目のレーザビーム入射から２ショット目のレーザビーム入射までの遅延時間を、３００〜１５００ｎｓ程度にすればよい。レーザ光源として全固体レーザを使用する場合には、エキシマレーザを使用する場合に比べて、遅延時間を容易に制御することができる。なお、後述するように、一旦形成された結晶粒は、アモルファス状態の部分よりも溶融しにくい。このため、一旦形成された結晶粒は、２ショット目のパルスレーザビームＳ２の照射によって再溶融しにくい。
例えば、パルスエネルギ密度のピーク値が１３００ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅１４０ｎｓ、ビーム幅１６．７μｍのパルスレーザビームを入射させたときの結晶粒の大きさは約２．１μｍであった。これに対し、１ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値１３００ｍＪ／ｃｍ２、２ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値７００ｍＪ／ｃｍ２、遅延時間９００ｎｓの条件で多結晶化を行ったところ、結晶粒の大きさは約４．４μｍであった。このように、遅延時間を設けて２ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒を大きくすることができる。
１ショット目の入射によって溶融した部分が固化する前に２ショット目のパルスレーザビームを照射する方式を、ダブルパルス方式と呼ぶこととする。より一般的に、溶融したシリコンが固化する前に２ショット以上のパルスレーザビームを照射する方式をマルチパルス方式と呼ぶこととする。
上記第１の実施例による方法では、レーザビームの強度分布をトップフラットにするためのマスクを使用しない。このため、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。
また、上記第１の実施例の方法により、結晶粒が第１の方向に一列に連なった結晶粒列を形成することができる。第１の方向と直交する方向に関する結晶粒の平均の大きさを１．５μｍ以上にすることができる。
次に、上記第１の実施例による方法で形成された結晶粒を、基板面内方向にさらに拡大する第２の実施例について説明する。
図８に、結晶成長の様子を模式化した図を示す。図８Ａ〜図８Ｇの各図は、シリコン膜の断面を表し、図の横方向が、パルスレーザビームの入射領域の短軸方向に相当する。
図８Ａに示すように、上記第１の実施例による方法でパルスレーザビームを入射させると、２本の帯状領域７の位置に、長軸方向（図８の紙面に垂直な方向）に連なる多数の結晶粒が形成される。２つの帯状領域７に挟まれた領域８には、微結晶粒が形成される。帯状領域７の各々の幅は例えば４μｍである。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、レーザビームの入射条件を好適化することにより、大きさ４μｍ程度の結晶粒を形成することは十分可能である。
図８Ｂに、レーザビームの入射位置を短軸方向に１５μｍ移動させ、２回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。例えば、ビーム幅が１００μｍであり、移動距離が１５μｍであるとき、オーバラップ率は８５％になる。
帯状領域７を移動方向に１５μｍだけ移動させた位置に、結晶粒が連なった帯状領域２０が形成される。帯状領域２０の幅は４μｍである。２つの帯状領域２０に挟まれた領域のアモルファスシリコン膜、微結晶粒、及び小さな結晶粒は溶融するが、後述するように、帯状領域７内の大きな結晶粒は溶融しにくい。実際には、帯状領域７内の結晶粒は部分的に溶融するが、一部分は結晶のまま残存する。温度が低下するに従って、帯状領域７内に残存する結晶粒が種結晶となり、結晶成長が生じる。
１回目の照射で発生する結晶粒の大きさと同程度の結晶成長が生じると仮定すると、帯状領域７の両側に成長する結晶の長さは、４μｍ程度になる。このため、移動方向の前方側に位置する帯状領域７を中心として、幅１２μｍ程度の多結晶領域７ａが形成される。帯状領域７ａと、移動方向の前方側に位置する帯状領域２０との間の微結晶領域１５の幅は約７μｍになる。移動方向の後方側に位置する帯状領域７の周辺のアモルファスシリコン膜、微結晶粒、及び小さな結晶粒は溶融しないため、結晶成長は生じない。
図８Ｃに、レーザビームの入射位置を短軸方向にさらに１５μｍ移動させ、３回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
帯状領域２０を移動方向に１５μｍだけ移動させた位置に、結晶粒が連なった帯状領域２１が形成される。帯状領域２１の幅は４μｍである。さらに、帯状領域７ａ及び移動方向の前方側に位置する帯状領域２０内の結晶粒を種結晶として、結晶成長が生じる。
帯状領域７ａから、移動方向の後方側に向かって、約４μｍの結晶が成長する。同時に、帯状領域２０から、移動方向の前方側に向かって、約４μｍの結晶が成長する。帯状領域７ａと帯状領域２０とに挟まれた領域１５おいては、両側から中心に向かって結晶成長が生じる。領域１５の幅は、約７μｍであるため、両側からそれぞれ３．５μｍずつ成長した時点で、結晶粒同士が衝突し、結晶成長が止まる。
これにより、帯状領域７ａを含む幅１９．５μｍの帯状領域７ｂが形成され、帯状領域２０を含む幅１１．５μｍの帯状領域２０ａが形成される。帯状領域７ｂ及び２０ａ内には、長軸方向に連なった多数の結晶粒が形成されている。領域１５の中心線１６に沿って結晶粒界が配列する。なお、結晶粒同士が衝突するため、中心線１６の位置に、山脈状の凸部が形成される。
図８Ｄに、レーザビームの入射位置を短軸方向にさらに１５μｍ移動させ、４回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
帯状領域２１を移動方向の前方に１５μｍだけ移動させた位置に、帯状領域２２が形成される。帯状領域２０ａ内の結晶粒を種結晶として、移動方向の前方側に結晶が成長し、帯状領域２１内の結晶粒を種結晶として、その両側に結晶が成長する。これにより、幅１５μｍの帯状領域２０ｂ、及び幅１１．５μｍの帯状領域２１ａが形成される。
図８Ｅ〜図８Ｇに、それぞれレーザビームの入射位置を短軸方向に１５μｍずつ移動させ、５〜７回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
第５回目の照射により、新たに帯状領域２３が発生すると同時に、帯状領域２１ａ及び２２が広がり、帯状領域２１ｂ及び２２ａが形成される。第６回目の照射により、帯状領域２２ａ及び２３が広がり、帯状領域２２ｂ及び２３ａが形成される。第７回目の照射により、帯状領域２３ａが広がり、帯状領域２３ｂが形成される。
このように、レーザビームの入射位置を短軸方向に移動させながら照射を繰り返すことにより、アモルファスシリコン膜のほぼ全面を多結晶化させることができる。
図９に、図８に示した方法で作製した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図を示す。複数の帯状領域２５が観察される。各帯状領域２５の幅は約１５μｍであり、帯状領域２５内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒が形成されている。相互に隣り合う帯状領域２５の境界には、山脈状の突起２６が形成されている。
次に、図１０を参照して、全面を多結晶化するための条件について説明する。パルスレーザビームの入射位置を移動させる時のオーバラップ率を小さくすると、図８Ｃに示した微結晶領域１５の幅が拡がり、領域１５の両側から成長する結晶粒同士が衝突する前に、レーザビームの入射領域が領域１５から外れてしまう。また、オーバラップ率を一定に保っても、１照射あたりの結晶成長の長さが短くなると同様の現象が生じる。このため、１照射あたりの結晶成長の長さが短い場合には、オーバラップ率を高くしなければならない。
図１０に、１照射あたりの結晶成長の長さと、必要なオーバラップ率との関係を示す。横軸は、１照射あたりの結晶成長の長さを単位「μｍ」で表し、縦軸は、オーバラップ率を単位「％」で表す。例えば、１照射あたりの結晶成長の長さが１０μｍであるとき、オーバラップ率を７０％以上にすればよい。１照射あたりの結晶成長の長さが短くなると、全面を多結晶化するために必要なオーバラップ率が高くなることがわかる。
全面を多結晶化するためには、図８Ｂに示した微結晶領域１５の両側から成長する結晶粒同士が衝突するまで、微結晶領域１５の中心線１６が、レーザビーム照射によるシリコンの溶融領域内に収まるように、オーバラップ率を設定すればよい。
次に、図１１を参照して、アモルファスシリコン膜を多結晶化する場合のレーザビームの好ましい波長について説明する。
図１１に、アモルファスシリコンと単結晶シリコンとの光吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収係数を単位「×１０７ｃｍ−１」で表す。図中の黒丸及び白丸は、それぞれ単結晶シリコンの吸収係数及びアモルファスシリコンの吸収係数を示す。
波長が約３４０ｎｍ以上の領域で、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも大きいことがわかる。特に、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲においては、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも一桁以上大きい。一旦形成された結晶粒を種結晶として結晶成長を行う場合には、結晶粒を溶融させることなくアモルファスの領域を溶融させることが好ましい。実際に形成された結晶粒の分布する領域は単結晶ではなく多結晶である。多結晶シリコンの吸収係数は、結晶粒の大きさに依存し、単結晶とアモルファスとの中間の吸収係数になる。結晶粒が大きくなると、単結晶の吸収係数に近づき、結晶粒が小さくなると、アモルファスの吸収係数に近づく。
従って、図２Ｂに示した帯状領域７内の大きな結晶粒を溶融させることなく、アモルファス領域９、ランダム分布領域１２、及び微結晶領域８を優先的に溶融させるために、波長３４０ｎｍ以上のパルスレーザビームを使用することが好ましい。波長が長くなりすぎると吸収係数が低下するため、使用するパルスレーザビームの波長を９００ｎｍ以下とすることが好ましい。
エキシマレーザの波長域（約３０８ｎｍ）においては、アモルファスシリコンの吸収係数が、波長３４０〜９００ｎｍにおける吸収係数よりも高い。このため、アモルファスシリコン膜の表面近傍でのみ吸収が生じ、厚さ方向に関して温度勾配が生じてしまう。これに対し、波長３４０〜９００ｎｍのレーザビームを使用すると、アモルファスシリコン膜の比較的深い領域までレーザビームが侵入し、厚さ方向に関してほぼ均等に加熱される。このため、より高品質な結晶を形成することができる。
次に、図１２を参照して、第３の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１２Ａに、照射するレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布と多結晶化される領域との関係を示す。パルスエネルギ密度の最も高い部分が入射する領域３５内に微結晶が形成され、その両側に、大きな結晶粒が長軸方向に連なった帯状領域３０Ａ及び３０Ｂが形成される。微結晶粒が形成された領域３５の幅が、帯状領域３０Ａ及び３０Ｂの各々の幅とほぼ等しくなるように、ビーム幅が設定されている。
レーザビームの入射位置を、短軸方向に、帯状領域３０Ａの幅と等しい距離だけ移動させて第２回目のレーザ照射を行う。
図１２Ｂに示すように、既に結晶粒が形成されている帯状領域３０Ａと３０Ｂとの間に、大きな結晶粒が連なった帯状領域３１Ａが形成される。同時に、移動方向の前方側に位置する帯状領域３０Ｂの前方側に、帯状領域３１Ｂが形成される。
このように、２回の照射によって、４つの帯状領域３０Ａ、３１Ａ、３０Ｂ、及び３１Ｂが形成される。相互に隣り合う帯状領域内の結晶粒同士は、相互に接触する。同様の工程を繰り返すことにより、全面を多結晶化することができる。
なお、温度条件によっては、図１２Ａに示した領域３５内に発生した核から新たに結晶粒が成長するのではなく、両側の帯状領域３０Ａ及び３０Ｂ内の結晶粒を種結晶として、結晶成長が生じる場合もあるであろう。
次に、図１３を参照して、第４の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１３Ａに、照射するレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布と多結晶化される領域との関係を示す。パルスエネルギ密度の最高値に対応する位置の両側に、大きな結晶粒が長軸方向に連なった帯状領域３６Ａ及び３６Ｂが形成される。ビーム幅が狭いため、帯状領域３６Ａ内の核から発生した結晶粒と、帯状領域３６Ｂ内の核から発生した結晶粒とが相互に接触する。両者の接触した線３８に沿って、結晶粒界が配列する。
帯状領域３６Ａと３６Ｂとの合計の幅だけ、レーザビームの入射位置を短軸方向に移動させ、２回目の照射を行う。
図１３Ｂに示すように、相互に接する帯状領域３７Ａと３７Ｂとが形成される。移動方向の後方側に位置する帯状領域３７Ａが、１回目の照射で形成された移動方向の前方側に位置する帯状領域３６Ｂに接する。同様の工程を繰り返すことにより、全面を多結晶化することができる。
第３及び第４の実施例において照射するパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布を、第１の実施例で説明した好適な形状にすることにより、大きな結晶粒を形成することができる。また、図７に示したように、同じ位置に、２ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒をより大きくすることができる。
次に、図１４〜図１５Ｃを参照して、第５の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１４に、加工対象物１のレーザビーム入射位置近傍の断面図、及びビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。一般的にパルスエネルギ密度は、パルスエネルギをビーム断面の面積で除することにより求められる。この計算で求められるパルスエネルギ密度は、厳密には、ビーム断面内における平均値である。ビーム断面内の光強度が一定ではないため、パルスエネルギ密度も一定ではない。光強度分布がガウス分布で近似される場合、パルスエネルギ密度分布もガウス分布で近似される。
図１４に示すように、加工対象物は、図２Ａを参照して説明した第１の実施例の場合と同様に、ガラス基板２の上に酸化シリコン膜３、及びアモルファスシリコン膜４が積層された積層基板である。パルスレーザビームの入射位置が図１４の右方に移動する。
図１に示したホモジナイザ７２を通過したレーザビームの一部が遮光板１８で遮光され、結像光学装置１９を介してアモルファスシリコン膜４に入射する。遮光板１８は、ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布の裾野の部分の光を遮光する。結像光学装置１９は、遮光板１８の配置された位置におけるビーム断面を、アモルファスシリコン膜４の表面に結像させる。結像倍率は例えば１倍である。
遮光板１８が配置されていない場合には、アモルファスシリコン膜４の表面におけるパルスレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布はガウス分布で近似される。すなわち、パルスエネルギ密度は、中央部で強く、縁に近づくに従って弱くなる。なお、パルスエネルギ密度の分布は必ずしもガウス分布である必要はなく、一般的に中央部で強く、縁に近づくに従って弱くなる分布でもよい。
パルスレーザビームの入射位置の進行方向の後方側の裾野のうち、パルスエネルギ密度がＥＨ以下の部分が遮光板１８で遮光されており、前方側においては、パルスエネルギ密度がＥＬ以下の部分が遮光されている。パルスエネルギ密度ＥＬは、ＥＨよりも低い。
実際には、遮光板１８で遮光されたビーム断面の縁において光強度が直ちに０にはならず、ビーム断面は遮光された位置よりも６μｍ程度外側まで広がっていた。なお、ビーム断面の縁は、光強度が、ピーク値の２０％になる位置とした。
このようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを、アモルファスシリコン膜４に１ショット入射させる。アモルファスシリコン膜４が完全に溶融する閾値以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが照射された領域が溶融する。パルスエネルギ密度ＥＬがこの閾値以上である場合、パルスレーザビームに照射された全領域が溶融する。溶融した部分が冷却される時に、溶融部分の縁から内部に向かって結晶が成長する。
図１５Ａに示すように、パルスレーザビームの入射位置の移動方向の後方側の縁に、ビーム断面の長軸方向に配列した多数の結晶粒１００ａが形成され、前方側の縁に多数の結晶粒１０１ａが形成される。結晶粒１００ａが形成された領域と結晶粒１０１ａが形成された領域とに挟まれた領域には、図３に示した領域８と同様に、微結晶粒が形成される。成長する結晶の長さは、溶融部分の温度と固液界面における温度勾配に依存する。後方側の縁における温度及び温度勾配と、前方側の縁における温度及び温度勾配とは、相互に異なる。このため、溶融した領域の両側の縁から成長した結晶の長さは、相互に異なる。
後方側の縁における温度及び温度勾配が、結晶成長に好ましい条件である場合、後方側の縁に形成された結晶粒１００ａが、前方側の縁に形成された結晶粒１０１ａよりも大きくなる。例えば、後方側の縁に形成された結晶粒１００ａの横方向の寸法を７〜８μｍにすることができた。
次に、パルスレーザビームの入射位置をビーム断面の短軸方向に移動させ、パルスレーザビームを１ショット入射させる。入射位置の移動距離は、新たに照射するパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が、結晶粒１００ａに接するかまたは重なる距離とする。前回の照射時に前方側の縁に形成された結晶粒１０１ａは、今回の照射により溶融する。
図１５Ｂに示すように、今回の照射で溶融した領域の後方側の縁においては、結晶粒１００ａを種結晶として横方向に結晶が成長し、結晶粒１００ａを内包する大きな結晶粒１００ｂが形成される。今回照射したパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が結晶粒１００ａに接する場合、結晶粒１００ｂの横方向の寸法は、結晶粒１００ａの寸法の約２倍の１４〜１６μｍになる。
パルスレーザビームの入射位置を、前回のショットで照射された領域と、今回のショットで照射される領域とが部分的に重なるように移動させながら、パルスレーザビームの照射を繰り返す。移動距離は、新たに照射するパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が、前回の照射で形成された後方側の結晶粒に接するかまたは重なる距離とする。
図１５Ｃに示すように、結晶粒が横方向に成長し、大きな結晶粒１００ｃが形成される。図１５Ｂの時点で、ビーム断面の前方側の縁に形成されていた小さな結晶粒１０１ｂは、その後のパルスレーザビームの照射によって溶融し、消滅する。
第５の実施例では、遮光板１８で画定されたビーム断面の後方側の縁から結晶が成長する。第１の実施例の場合には、図３に示したように大きな結晶粒の発生する帯状領域７が蛇行している。第５の実施例では、結晶粒１００ａの形成される位置が遮光板１８により人為的に決まるため、結晶粒１００ａの連なった帯状領域が蛇行することなく、ほぼ直線に沿った形状になる。このため、２回目の照射時に、ビーム断面の後方側の縁が、結晶粒１００ａの連なった帯状領域に接するように、容易に位置決めすることができる。
また、結晶成長の方向も、ビーム断面の長軸に直交する方向に揃う。多結晶膜に能動素子を形成する場合、形成すべき能動素子の電流方向と、結晶成長の方向とを平行にすることにより、結晶粒界に起因するキャリア移動度の低下を抑制することができる。
上記実施例では、１ショットのパルスレーザビームを入射させる度に、入射位置を移動させたが、図７を参照して説明したように、同じ位置に２ショットのパルスレーザビームを入射させるダブルパルス方式を採用してもよいし、マルチパルス方式を採用してもよい。これにより、形成される結晶粒を大きくすることができる。
図１４に示したパルスエネルギ密度分布の裾野のうち遮光すべき好ましい領域、すなわちパルスエネルギ密度ＥＨ及びＥＬの好ましい大きさは、遮光領域の大きさ（幅）を変えて複数の評価実験を行うことにより求めることができる。
以下、実際に行った評価実験の結果について説明する。レーザ光源から出射されたレーザビームを、幅１００μｍ、長さ１７ｍｍのビーム断面を有する長尺ビームに成形した。このビーム断面の幅方向の両側を遮光板で遮光し、幅２２μｍの断面形状とし、このビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させた。なお、ビーム断面の幅は、光強度分布の半値幅である。
レーザ光源を２台用い、１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームの、アモルファスシリコン膜表面におけるパルスエネルギ密度を、それぞれ５５０ｍＪ／ｃｍ２及び５００ｍＪ／ｃｍ２とし、遅延時間を１００ｎｓとしたダブルパルス方式を採用した。
この条件で、２ショットのパルスレーザビームを照射することにより、ビーム断面の走査方向後方側に形成される結晶粒１００ａの幅が３．１μｍになった。３μｍのピッチでパルスレーザビームが入射するように、アモルファスシリコン膜の表面を走査することにより、図１５Ｃに示したように、走査方向に連続的に結晶を成長させることができた。各結晶粒の配向性を測定したところ、結晶の成長方向（走査方向）と平行な方向に各結晶粒の＜１１０＞方向が揃っていた。
次に、図１６〜図１７Ｃを参照して、第６の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１６に示すように、第６の実施例では、パルスレーザビームの入射位置の移動方向の前方側において、パルスエネルギ密度がＥＨ以下の裾野の部分が遮光板１８で遮光され、後方側において、パルスエネルギ密度がＥＬ以下の裾野の部分が遮光板１８で遮光されている。
図１７Ａに示すように、１ショットの照射を行うと、ビーム断面の前方側の縁に比較的大きな結晶粒１１０ａが形成され、後方側の縁に比較的小さな結晶粒１１１ａが形成される。
図１７Ｂに示すように、パルスレーザビームの入射位置を移動させて次の１ショットの照射を行うと、結晶粒１１０ｂ及び１１１ｂが形成される。比較的大きな結晶粒１１０ａは溶融しにくいため、次の照射以降の照射によってほとんど溶融しない。結晶粒１１０ｂは、溶融した領域の前方側の縁から後方側（結晶粒１１０ａ側）に向かって成長したものである。結晶成長の先端が結晶粒１１０ａに達した時点で成長が停止する。
このとき、既に形成されている結晶粒１１０ａを種結晶とした横方向の結晶成長も生ずる。このため、パルスレーザビームの入射位置の移動ピッチは、結晶粒１１０ａの幅よりも長くすることができる。
図１７Ｃに示すように、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら照射を繰り返すと、比較的大きな結晶粒１１０ａ〜１１０ｅが形成される。また、図１７Ｃにおいては、３回目の照射時に、ビーム断面の後方側の縁に比較的小さな結晶粒１１１ｃが形成されている。４回目以降の照射においては、ビーム断面の後方側の縁が、比較的大きな結晶粒１１０ａ〜１１０ｅの内部に位置することになるため、後方側の縁近傍には溶融部分が生じない。
第６の実施例では、図１７Ｃに示したように、例えば結晶粒１１０ａの連なった帯状領域と、結晶粒１１０ｂの連なった帯状領域との間に、明確な境界が形成される。この境界の位置は、遮光板１８で人為的に決定される。例えば、多結晶化されたシリコン薄膜に能動素子を形成する場合、能動素子が結晶粒の境界を跨がないように、結晶粒の境界を配置させることが可能である。以上のようにして、図９のように帯状領域で基板全面を覆うことも可能である。
以下、実際に行った評価実験の結果について説明する。レーザ光源から出射されたレーザビーム成形し、幅１００μｍ、長さ１７ｍｍのビーム断面を有する長尺ビームにする。ビーム断面の、走査方向前方側の縁を遮光板で遮光して、幅５５μｍの断面形状とし、このビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させた。レーザ光源を２台用い、１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームの、アモルファスシリコン膜表面におけるパルスエネルギ密度を、それぞれ７１０ｍＪ／ｃｍ２及び６４０ｍＪ／ｃｍ２とし、遅延時間を２００ｎｓとしたダブルパルス方式を採用した。
この条件で、２ショットのパルスレーザビームを照射することにより、ビーム断面の、走査方向前方側に形成される結晶粒１１０ａの幅が５．４μｍになった。１２μｍのピッチでパルスレーザビームが入射するようにアモルファスシリコン膜の表面を走査することにより、ビーム断面の長手方向に結晶粒が連なった幅１２μｍの帯状領域が形成された。相互に隣り合う帯状領域の結晶粒は、帯状領域の境界において相互に接触し、全面を多結晶化することができた。
１回の照射で形成される結晶粒１１０ａの幅が５．４μｍであるにもかかわらず、最終的に形成される帯状領域の幅が１２μｍになるのは、１回の照射で形成された幅５．４μｍの結晶粒を種結晶として、その後の照射によって横方向の結晶成長が生じるためである。この成長過程は、図８Ａ〜図８Ｇで説明した結晶成長過程と同様である。
上記第５及び第６の実施例の評価実験では、ダブルパルス方式を採用した。このとき、１ショット目のパルスレーザビームが入射してから２ショット目のパルスレーザビームが入射するまでの遅延時間を１００〜１０００ｎｓとすることが好ましい。この好適な遅延時間は、遮光板を用いない場合に比べてやや短い。これは、ビーム断面の両側において光強度分布の傾斜が急峻であり、遮光板を用いない場合に比べて固化速度が速いためである。
次に、第７の実施例について説明する。第５及び第６の実施例では、ビーム断面の幅方向に関して光強度分布（またはパルスエネルギ密度分布）が非対称になるように、遮光板でレーザビームの一部を遮光したが、対称になるように遮光してもよい。光強度分布が対称になると、走査方向の前方側の縁と後方側の縁とに、ほぼ同じ大きさの結晶粒が形成される。このため、図８Ａ〜図８Ｇを参照して説明した第２の実施例、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して説明した第３の実施例、または図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して説明した第４の実施例による方法と同様の方法により、アモルファスシリコン膜の多結晶化を行うことができる。
上記第５〜第７の実施例では、遮光板の配置された位置におけるビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させたが、アモルファスシリコン膜に近接させて遮光板を配置してもよい。遮光板とアモルファスシリコン膜との間隔は、例えば０．１ｍｍ程度とすればよいであろう。
上記第１及び第６の実施例では、レーザビームの一部を遮光板で遮光することにより、ビーム断面の幅方向に関して非対称な光強度分布を有するレーザビームを形成したが、その他の光学装置により光強度分布を非対称にしてもよい。例えば、石英ガラスの表面にクロム（Ｃｒ）等のドットパターンを配置したグラディエイションフィルタを光路内に配置してもよい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限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自明であろう。
【図１】
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2004040628.tif 000004
【図３】
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2004040628.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年5月12日(2004.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は完全には溶融せず、該結晶粒に接する領域の前記薄膜は溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、該結晶粒を種結晶として、前記帯状領域の両側に結晶を成長させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）において、パルスレーザビームの入射領域の移動方向前方側の縁と中心線との間の領域のうち、該縁からある距離だけ隔てられ、かつ前記第１の帯状領域からもある距離だけ隔てられ、長軸方向に延在する第２の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させ、
前記工程（ｃ）の後、さらに、
（ｄ）パルスレーザビームの入射位置を短軸方向に移動させながら、前記薄膜にパルスレーザビームを入射させ、前記第１の帯状領域から前記第２の帯状領域に向かって成長した結晶粒と、前記第２の帯状領域から前記第１の帯状領域に向かって成長した結晶粒とを接触させる工程を有する請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項３】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は溶融せず、前記第１の帯状領域に挟まれた領域、及びビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側の縁に接する領域の前記薄膜が溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、溶融した領域に結晶粒を発生させる工程を有し、
該工程（ｃ）において、前記第１の帯状領域に挟まれた領域内に発生した結晶粒が、その両側の第１の帯状領域内に発生している結晶粒に接触し、ビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側に発生した結晶粒が、該第１の帯状領域内に発生している結晶粒に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる多結晶膜の製造方法。
【請求項４】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は溶融せず、前記第１の帯状領域に挟まれた領域、及びビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側の縁に接する領域の前記薄膜が溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、前記第１の帯状領域に挟まれた溶融領域内においては、両側の前記第１の帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させ、両側から成長した結晶粒同士を接触させ、ビーム入射領域の移動方向の前方側に位置する第１の帯状領域の前方側の溶融領域においては、該第１の帯状領域内の結晶粒を種結晶として結晶を成長させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項５】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項６】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と
を有し、
前記工程（ｂ）において、パルスレーザビームを１ショット入射させた後、溶融した部分が完全に固化する前に、同じ位置に２ショット目を入射させる多結晶膜の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ）で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上である請求項７に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項９】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と
を有し、
前記工程（ｂ）において、前記第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第１の帯状領域までの間隔が１５μｍ以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する多結晶膜の製造方法。
【請求項１０】
（ｉ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｊ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第１の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる工程と
を有し、
パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である多結晶膜の製造方法。
【請求項１１】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上である請求項１０に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｊ）において、パルスレーザビームを１ショット入射させた後、溶融した部分が完全に固化する前に、２ショット目を入射させる請求項１０に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｊ）の後、さらに、
（ｋ）パルスレーザビームの入射位置をビーム入射領域の短軸方向に移動させながら、次々にパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程を有し、
１回の溶融と固化のためのパルスレーザビームの入射は、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第２の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第２の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第２の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触し、かつ移動方向の後方側の第２の帯状領域内に発生した結晶粒が、移動方向の後方側に既に形成されている結晶粒に接触する条件で行われる請求項１０に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１４】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１０に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｊ）において、前記第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第１の帯状領域までの間隔が１５μｍ以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する請求項１０に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｂ）で照射するパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、溶融した領域の縁において２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である請求項９に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｂ）において入射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、溶融した領域の縁において１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上である請求項１６に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１８】
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が３４０〜９００ｎｍである請求項１６に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項１９】
下地基板の表面上に形成された多結晶材料からなる多結晶膜であって、各々が基板面内の第１の方向に連なった複数の結晶粒からなる複数の結晶粒列を含み、前記結晶粒列の一方の縁に接する領域に、該結晶粒列内の結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域の幅が１５μｍ以上である多結晶膜。
【請求項２０】
前記結晶粒列は、前記第１の方向と直交する第２の方向に複数個配置され、各結晶粒列内の結晶粒の前記第２の方向の平均の大きさが１．５μｍ以上である請求項１９に記載の多結晶膜。
【請求項２１】
前記結晶粒列内の結晶粒の前記第１の方向の平均の大きさが０．７μｍ以上である請求項１９に記載の多結晶膜。
【請求項２２】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有し、該ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなり、非対称な第１の形状であるパルスレーザビームを、少なくとも１ショット前記薄膜に入射させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置が、前記薄膜の表面上において、該パルスレーザビームのビーム断面の長軸方向と交差する方向に移動し、かつ前回のショットで照射された領域と部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置と前記加工対象物との少なくとも一方を移動させる工程と、
（ｄ）光強度分布が前記第１の形状を有するパルスレーザビームを、前記薄膜に、少なくとも１ショット入射させる工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）と工程（ｄ）とを交互に繰り返す工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項２３】
前記工程（ｂ）において、ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなる形状を有する分布のうち、一方の第１の裾野の、第１の光強度以下の部分がマスクで遮光され、他方の第２の裾野の部分は遮光されていないか、または該第２の裾野の、該第１の光強度よりも低い第２の光強度以下の部分が遮光されることにより、前記パルスレーザビームが得られる請求項２２に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２４】
前記工程（ｂ）において、ビーム断面の前記第１の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成され、
前記工程（ｃ）において、ビーム断面の前記第２の裾野側が移動方向の前方になるように、パルスレーザビームの入射位置が前記薄膜上を相対的に移動し、その移動距離は、前回の照射でビーム断面の前記第１の裾野側の縁から成長した結晶粒に、ビーム断面の第１の裾野側の縁が接するかまたは重なる距離であり、
前記工程（ｄ）において、前回の照射で成長した結晶粒を種結晶として、該種結晶からビーム断面の内側に向かって結晶を成長させる請求項２３に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２５】
前記工程（ｂ）において、ビーム断面の前記第１の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成され、
前記工程（ｃ）において、ビーム断面の前記第１の裾野側が移動方向の前方になるように、パルスレーザビームの入射位置が前記薄膜上を相対的に移動し、
前記工程（ｄ）で照射されるパルスレーザビームの、前記薄膜表面におけるパルスエネルギ密度は、前回までの照射で前記第１の裾野側に形成された結晶粒が再溶融しない大きさであり、ビーム断面の前記第１の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成される請求項２３に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２６】
前記工程（ｃ）において、パルスレーザビームの入射位置の移動距離は、前記工程（ｄ）で成長する結晶粒が、前回の照射で形成された結晶粒に接する距離である請求項２５に記載の多結晶膜の製造方法。
【請求項２７】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有し、該ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなる形状を有する分布のうち、少なくとも一方の第１の裾野の部分がマスクで遮光された第１の形状であるパルスレーザビームを、少なくとも１ショット前記薄膜に入射させる工程と、
（ｃ）パルスレーザビームの入射位置が、前記薄膜の表面上において、該パルスレーザビームのビーム断面の長軸方向と交差する方向に移動し、かつ前回のショットで照射された領域と部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置と前記加工対象物との少なくとも一方を移動させる工程と、
（ｄ）光強度分布が前記第１の形状を有するパルスレーザビームを、前記薄膜に、少なくとも１ショット入射させる工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）と工程（ｄ）とを交互に繰り返す工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
【請求項２８】
（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に結晶粒を発生させ、該第１の帯状領域に接し、該第１の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第１の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域を形成する工程と
を有する結晶膜の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶膜の製造方法及び結晶膜に関し、特にアモルファス膜にレーザビームを入射させて結晶化させる結晶膜の製造方法及び製造された結晶膜に関する。
結晶膜は、低温型多結晶ＴＦＴ液晶ディスプレイ、太陽電池パネル、ペーパ型液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等に使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザをアモルファスシリコン薄膜に入射させて溶融及び固化を繰り返し、横方向（薄膜の面内方向）に結晶を成長させる逐次的横方向成長（ＳＬＳ：Sequential Lateral Solidification）技術が知られている。以下、従来のＳＬＳ技術について説明する。
パルスレーザビームの断面を長尺化した後、例えば幅３〜３０μｍ、長さ１００μｍ程度のスリットを通過させる。スリットを通過したパルスレーザビームを、スリットをアモルファスシリコン薄膜の表面に結像させる結像光学系を通して、アモルファスシリコン膜に入射させる。この結像光学系の倍率は、例えば１／３である。このとき、アモルファスシリコン膜の表面におけるレーザビームの被照射領域の幅が約１〜１０μｍ、長さが約３３μｍになる。被照射領域の幅方向のビーム強度分布は、矩形に近くなる。
レーザビームがアモルファスシリコン膜に入射すると、アモルファスシリコンが溶融する。溶融した領域の縁近傍部分の冷却速度が内部の冷却速度よりも速いため、縁近傍部分から固化が始まる。固化した部分が核となり、この核から溶融部分の内側に向かって結晶が成長する。被照射領域の長い方の２つの縁から結晶成長が始まるため、被照射領域の幅方向のほぼ中央に、両側から成長してきた結晶粒の粒界が形成される。
パルスレーザビームの被照射領域を、その幅方向に、その幅の約５０％だけ移動させて、２回目のパルスレーザビームを入射させる。１回目のパルスレーザビーム照射時の被照射領域のほぼ中央に形成された粒界の片側の領域が再溶融する。再溶融しなかった領域の結晶粒が種結晶となり、再溶融した領域で結晶が成長する。
パルスレーザビームの被照射領域を移動させながら、レーザ照射を繰り返すことにより、結晶を、被照射領域の移動方向に成長させることができる。
下記の特許文献１〜３に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用い、ビーム断面を線状に整形して、アモルファスシリコン層に照射し、横方向に結晶を成長させる技術が開示されている。また、特許文献４及び５に、エキシマレーザを用い、パターン化されたマスクを通してアモルファスシリコン層に照射し、横方向に結晶を成長させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２６０７３１号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６１９５号公報
【特許文献３】特開２０００−２８６２１１号公報
【特許文献４】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献５】特開２００１−２７４０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
より大きな結晶粒を形成する技術が望まれている。本発明の目的は、横方向に結晶を成長させる新たな技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一観点によると、（ａ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｂ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、（ｃ）パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒は完全には溶融せず、該結晶粒に接する領域の前記薄膜は溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、該結晶粒を種結晶として、前記帯状領域の両側に結晶を成長させる工程とを有する多結晶膜の製造方法が提供される。
【０００５】
本発明の他の観点によると、（ｉ）表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｊ）前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第１の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第１の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第１の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる工程とを有し、パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第１の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下である多結晶膜の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
上述の条件でパルスレーザビームを照射することにより、大きな結晶粒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】
【０００７】
図１に、本発明の実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【０００８】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【０００９】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００１０】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。レーザ光源７１から出力されたパルスレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にするとともに、その長軸方向に関する強度を均一にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板に入射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００１１】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００１２】
図２及び図３を参照して、第１の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
【００１３】
図２Ａに、加工対象物１の断面図、及び加工対象物１の表面におけるレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。加工対象物１は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板２、その表面を覆う厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜３、及びその表面上に形成された厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜４からなる３層構造を有する。酸化シリコン膜３は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）またはスパッタリングで形成される。アモルファスシリコン膜４は、例えば減圧ＣＶＤ（ＬＰ−ＣＶＤ）またはプラズマ励起型ＣＶＤ（ＰＥ−ＣＶＤ）で形成される。
【００１４】
ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布５はガウス分布で近似することができる。アモルファスシリコンを完全に溶融させる閾値Ｅｔｈ以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが入射した領域６内のアモルファスシリコン膜４が完全に溶融する。ここで「完全に」とは、シリコン膜が全厚さにわたって溶融することを意味する。
【００１５】
それよりも外側の、パルスエネルギ密度が閾値ＥｔｈからＥｃの間の領域１２においては、シリコン膜が部分的に溶融する。ここで「部分的に」とは、シリコン膜の一部は溶融するが、アモルファス状態のままで溶融しない部分も残存することを意味する。パルスエネルギ密度がＥｃになる位置よりも外側の領域９のアモルファスシリコン膜４は溶融しない。溶融したシリコンが固化するとき、シリコンの結晶粒が形成される。
【００１６】
本願発明者は、パルスエネルギ密度が閾値Ｅｔｈになる位置の近傍の帯状領域７内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それよりも内側の領域８内に、小さな微結晶粒が形成され、領域１２内においては、領域８内の結晶粒の大きさと帯状領域７内の結晶粒の大きさとの中間の大きさの結晶粒がランダムに分布することを発見した。ここで、「結晶粒の大きさ」は、当該領域内に分布する結晶粒の平均の大きさを意味する。
【００１７】
図２Ｂに、パルスレーザビームが照射された領域の模式的な平面図を示す。図２Ｂの縦方向が、ビーム入射領域の長軸方向に対応する。ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁１０と中心線１１との間に、長軸方向に延在する帯状領域７が配置される。帯状領域７は、ビーム入射領域の縁１０からある間隔を隔てて配置されている。帯状領域７内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒１３が形成される。
【００１８】
パルスレーザビームの短軸方向に関する強度分布はガウス分布で近似される。短軸方向の強度分布の半値幅を、ビーム幅と呼ぶこととする。実際には、加工対象物表面におけるビーム幅に相当する領域の両側にも、ガウス分布の裾野の部分のビーム成分が照射される。ビーム入射領域の縁１０は、例えば、パルスエネルギ密度の最大値の１０％となる部分と定義することができる。
【００１９】
図３に、多結晶化されたシリコン膜の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）をスケッチした図を示す。入射したパルスレーザビームは、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍまたは５２４ｎｍ）であり、パルス幅は１００ｎｓである。加工対象物表面におけるビーム断面の長軸方向の長さは５ｍｍ、ビーム幅は０．２ｍｍである。
【００２０】
加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の２つのパルスレーザビームを、同一箇所に同時に照射した。このため、実効的なパルスエネルギ密度は、１Ｊ／ｃｍ２になる。なお、パルスエネルギ密度は、パルスエネルギを、加工対象物表面におけるビーム断面の面積で除すことにより計算した。
【００２１】
帯状領域７内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それらが長軸方向に連なっていることがわかる。これらの結晶粒の、短軸方向の長さは１．５〜２μｍ程度であり、長軸方向の大きさは０．７〜１．５μｍ程度である。２本の帯状領域７の間の領域８に、多数の微結晶粒が形成されている。
【００２２】
また、帯状領域７よりも外側の領域１２内には、領域８内の微結晶粒よりも大きく、帯状領域７内の結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに配置されていることがわかる。ランダム分布領域１２よりも外側の領域９はアモルファス状態のままである。顕微鏡で観察することにより、これらの領域の境界を、色の差として検出することができる。
【００２３】
次に、図３に示したような種々の大きさの結晶粒が発生する機構について考察する。
図４Ａに、シリコン結晶の成長速度の温度依存性を示し、図４Ｂに、結晶成長の核生成率の温度依存性を示す。図４Ａの縦軸は、成長速度を単位「ｍ／ｓ」で表し、図４Ｂの縦軸は、核生成率を単位「１／ｃｍ３・ｓ」で表し、両者の横軸は温度を単位「Ｋ」で表す。なお、図４Ａ及び図４Ｂのグラフは、１９９９年７月１４日に行われた日本塑性加工学会シミュレーション統合システム分科会第２１回ＦＥＭセミナーの資料集第２２号第２７〜３２頁に掲載された市嶋大路（住友重機械工業株式会社）による「多結晶体の動的結晶成長過程のミクロ解析」の手法から得たものである。
【００２４】
図４Ａに示すように、単結晶シリコンの融点（１６８３Ｋ）において成長速度が０であり、温度が低下するに従って成長速度が速くなる。温度１５００Ｋ近傍において、成長速度が最大値を示す。従って、溶融しているシリコンの温度が低いほど、成長速度が速くなる。なお、成長速度は、固相部分と液相部分との界面における温度勾配にも依存し、温度勾配が急峻であれば、成長速度が速い。
【００２５】
図４Ｂに示すように、核生成率は、シリコンの融点から温度が低下するに従って大きくなり、温度６００Ｋ近傍で最大値を示す。
図３に示した帯状領域７は、核生成率が低くかつ成長速度が速い好適な温度及び固液界面における好適な温度勾配であった領域と考えられる。帯状領域７とアモルファス領域９との間の領域１２は、帯状領域７よりも温度が低いために核生成率が高く、かつ固液界面における温度勾配が緩やかであるために成長速度が遅かった領域と考えられる。この領域では、大きな結晶に成長する前に多くの核が発生したため、結晶粒が大きくなれなかったと考えられる。
【００２６】
微結晶領域８においては、温度の低下によって核が爆発的に発生し、成長速度よりも核生成が支配的であった領域と考えられる。核生成率が急激に高くなる温度まで冷却されると、帯状領域７内の結晶成長が、新たに発生した核によって妨げられ、結晶成長が停止する。結晶成長が停止した箇所が、帯状領域７と微結晶領域８との境界に相当すると考えられる。
【００２７】
より詳細には、領域１２においては、溶融した層とその下地層との界面に発生した核からの結晶成長（ヘテロジニアス成長）が支配的になり、微結晶領域８においては、溶融した層の内部に発生した核からの結晶成長（ホモジニアス成長）が支配的になると考えられる。ヘテロジニアス成長が支配的な領域とホモジニアス成長が支配的な領域との境界に、大きな結晶粒が形成されると考えられる。
【００２８】
大きな結晶粒を形成するためには、シリコンの溶融部分を、成長速度が速くかつ核生成率の低い好適な温度勾配及び温度とすることが必要である。図２Ａに示した帯状領域７の位置における温度勾配が急峻であると、好適な温度に維持される領域が狭くなり、大きな結晶粒が形成されにくい。大きな結晶粒を形成するために、帯状領域７の近傍におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにすることが好ましい。
【００２９】
パルスエネルギ密度分布の勾配を急峻にしすぎると、核発生率が高まる。一方、パルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにしすぎると、成長速度が遅くなる。従って、成長速度が速くかつ核発生率の低い好適な温度及び固液界面の温度勾配とするには、パルスエネルギ密度分布の勾配に、急峻すぎず緩やかすぎない好適な範囲があるものと考えられる。
【００３０】
次に、図５を参照して、パルスエネルギ密度分布の好ましい形状について説明する。
図５Ａは、結晶粒の大きさと、加工対象物表面におけるビーム幅との関係を示す。横軸はビーム幅を単位「μｍ」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μｍ」で表す。結晶粒の大きさは、特開２００１−２９７９８３号公報に開示された結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
【００３１】
加工対象物は、厚さ１００ｎｍの酸化シリコン膜、及びその上に形成された厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜である。パルスレーザビームの波長は５２７ｎｍ、パルス幅（半値幅）は１４０ｎｓとし、ビーム入射領域のうち、パルスエネルギ密度がピーク値の半分となる位置よりも外側に１μｍの幅、内側に５μｍの幅を持つ合計６μｍの幅の領域についてシミュレーションを行った。これは、ピーク値の半分の値となる位置においてパルスエネルギ密度分布の勾配がほぼ最大を示し、この領域で大きな結晶粒が形成されるためである。
【００３２】
ビーム入射領域の短軸方向に関する強度分布はガウス分布とした。ビーム断面の幅が５．０μｍ、８．３μｍ、１６．７μｍ、及び８３．０μｍの４つの場合の各々について、種々のピーク強度でシミュレーションを行い、最大の結晶粒が得られた条件下での結晶粒の大きさを、そのビーム幅の時の結晶粒の大きさとした。ビーム断面の幅が５．０μｍ、８．３μｍ、１６．７μｍ、及び８３．０μｍの場合において、それぞれパルスエネルギ密度の最大値が１１００ｍＪ／ｃｍ２、１４００ｍＪ／ｃｍ２、１５００ｍＪ／ｃｍ２、及び１５００ｍＪ／ｃｍ２の条件の時に最大の結晶粒が得られた。
【００３３】
図５Ｂは、ピーク強度の半分の値を示す位置におけるパルスエネルギ密度分布の勾配と、結晶粒の大きさとの関係を示す。図５Ａの各評価点について、パルスエネルギ密度分布の勾配を計算し、図５Ｂのグラフを作成した。
【００３４】
図５Ｂに示すように、パルスエネルギ密度分布の勾配が２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍから増加するに従って、結晶粒が徐々に大きくなる。これは、結晶成長速度が速くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギ密度分布の勾配が１７０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ付近で結晶粒の大きさが最大値を示し、それよりも勾配を大きくすると、結晶粒は小さくなる。これは、パルスエネルギ密度の勾配が急峻になるために、固液界面における温度勾配も急峻になり、横方向への熱拡散によって冷却速度が速くなるためと考えられる。すなわち、十分な結晶成長時間が確保されず、結晶が大きく成長する前に、多数の核が発生してしまうためと考えられる。
【００３５】
図３に示した多結晶膜を作製したときの、パルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の位置における勾配は、１３ｍＪ／ｃｍ２／μｍであった。図３に示した帯状領域７内の結晶粒の短軸方向に関する大きさは１．５〜２μｍ程度であり、これは、図５Ｂに示したシミュレーション結果の傾向とほぼ同じである。なお、勾配を１８ｍＪ／ｃｍ２／μｍとした場合にも、図５Ｂに示したシミュレーション結果とほぼ同様の傾向が得られた。パルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２の位置における勾配が１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上であれば、図５Ｂに示したシミュレーション結果とほぼ同様の傾向が得られるであろう。
【００３６】
図５Ｂに示したシミュレーション結果から判断すると、大きな結晶粒を形成するためには、図２Ａ及び図２Ｂに示した帯状領域７の位置（より厳密には、帯状領域７の外側の縁）におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を２８０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以下にすることが好ましい。また、勾配を１０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上とすることが好ましい。なお、アモルファスシリコン膜の厚さを１００ｎｍにして同様のシミュレーションを行ったところ、厚さが５０ｎｍの場合とほぼ同様の傾向が得られた。
【００３７】
また、第１の実施例では、図２Ｂに示したように、結晶粒がランダムに分布する領域１２に、レーザビームの裾野の比較的強度の高い部分が入射する。領域１２に比較的強度の高いレーザビームが照射されることにより、この領域の温度が上昇する。このため、帯状領域７の温度及び固液界面における温度勾配が、大きな結晶粒を形成するために好適な条件を満たすようになる。結晶粒増大の十分な効果を得るために、領域１２の幅Ｗを１５μｍ以上にすることが好ましい。
【００３８】
次に、図６を参照して、パルス幅と結晶粒の大きさとの関係について説明する。
図６は、結晶粒の大きさとパルス幅との関係を示す。横軸はパルス幅を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μｍ」で表す。結晶粒の大きさは、上述の結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
【００３９】
加工対象物、パルスレーザビームの波長は、図５で説明した条件と同じである。また、加工対象物表面におけるビーム幅は、１６．７μｍとした。シミュレーション方法は、図５で説明した方法と同様である。
【００４０】
パルス幅を長くすると、形成される結晶粒が大きくなることがわかる。これは、パルス幅が長くなるに従って温度低下が緩やかになり、その結果、溶融部分が好適な温度に維持される時間が長くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギが一定の条件下でパルス幅を長くすると、パルスレーザビームのピーク強度が低下し、十分なパワー密度を維持できなくなる。従って、パルス幅の上限は、使用するレーザ光源の出力特性によって制限される。
【００４１】
レーザ光源としてエキシマレーザを使用する場合には、一般的にパルス幅が７０ｎｓ以下である。一般的に、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の全固体レーザには、パルス幅が２０〜３０ｎｓのものや、１００ｎｓ以上のものがある。より大きな結晶粒を形成するためには、パルス幅が１００ｎｓ以上のものを使用することが好ましい。
【００４２】
以上、シリコン溶融部分の温度状態を好適化するために、パルスエネルギ密度分布の形状及びパルス幅に着目して考察を行ったが、パルスレーザビームの入射後、溶融部分が完全に固化する前に、同じ位置に再度パルスレーザビームを入射させることによっても、温度状態を制御することが可能である。
【００４３】
図７に、加工対象物に入射させるレーザビームの波形の一例を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸はレーザビームの強度を表す。時刻ｔ１に１ショット目のパルスレーザビームＳ１が入射し、時刻ｔ２に２ショット目のパルスレーザビームＳ２が入射する。１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームのパルス幅（半値幅）は、それぞれＰＷ１及びＰＷ２である。図７では、２ショット目のパルスレーザビームのピーク強度が、１ショット目のパルスレーザビームのピーク強度よりも小さい場合を示しているが、両者を同一にしてもよい。
【００４４】
図７に示した１ショット目のパルスレーザビームＳ１の入射により、アモルファスシリコン膜が溶融する。温度の低下とともに核が発生し、核から結晶が成長する。核生成率が大きくなる温度まで冷却される前に、２ショット目のパルスレーザビームＳ２を入射させ、再加熱する。これにより、核生成を抑制し、結晶成長を継続させることができる。このため、大きな結晶粒を形成することが可能になる。
【００４５】
例えば、１ショット目の入射によって溶融した部分が完全に固化する前に、２ショット目のパルスレーザビームＳ２を入射させればよい。例えば１ショット目のレーザビーム入射から２ショット目のレーザビーム入射までの遅延時間を、３００〜１５００ｎｓ程度にすればよい。レーザ光源として全固体レーザを使用する場合には、エキシマレーザを使用する場合に比べて、遅延時間を容易に制御することができる。なお、後述するように、一旦形成された結晶粒は、アモルファス状態の部分よりも溶融しにくい。このため、一旦形成された結晶粒は、２ショット目のパルスレーザビームＳ２の照射によって再溶融しにくい。
【００４６】
例えば、パルスエネルギ密度のピーク値が１３００ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅１４０ｎｓ、ビーム幅１６．７μｍのパルスレーザビームを入射させたときの結晶粒の大きさは約２．１μｍであった。これに対し、１ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値１３００ｍＪ／ｃｍ２、２ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値７００ｍＪ／ｃｍ２、遅延時間９００ｎｓの条件で多結晶化を行ったところ、結晶粒の大きさは約４．４μｍであった。このように、遅延時間を設けて２ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒を大きくすることができる。
【００４７】
１ショット目の入射によって溶融した部分が固化する前に２ショット目のパルスレーザビームを照射する方式を、ダブルパルス方式と呼ぶこととする。より一般的に、溶融したシリコンが固化する前に２ショット以上のパルスレーザビームを照射する方式をマルチパルス方式と呼ぶこととする。
【００４８】
上記第１の実施例による方法では、レーザビームの強度分布をトップフラットにするためのマスクを使用しない。このため、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。
【００４９】
また、上記第１の実施例の方法により、結晶粒が第１の方向に一列に連なった結晶粒列を形成することができる。第１の方向と直交する方向に関する結晶粒の平均の大きさを１．５μｍ以上にすることができる。
【００５０】
次に、上記第１の実施例による方法で形成された結晶粒を、基板面内方向にさらに拡大する第２の実施例について説明する。
図８に、結晶成長の様子を模式化した図を示す。図８Ａ〜図８Ｇの各図は、シリコン膜の断面を表し、図の横方向が、パルスレーザビームの入射領域の短軸方向に相当する。
【００５１】
図８Ａに示すように、上記第１の実施例による方法でパルスレーザビームを入射させると、２本の帯状領域７の位置に、長軸方向（図８の紙面に垂直な方向）に連なる多数の結晶粒が形成される。２つの帯状領域７に挟まれた領域８には、微結晶粒が形成される。帯状領域７の各々の幅は例えば４μｍである。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、レーザビームの入射条件を好適化することにより、大きさ４μｍ程度の結晶粒を形成することは十分可能である。
【００５２】
図８Ｂに、レーザビームの入射位置を短軸方向に１５μｍ移動させ、２回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。例えば、ビーム幅が１００μｍであり、移動距離が１５μｍであるとき、オーバラップ率は８５％になる。
【００５３】
帯状領域７を移動方向に１５μｍだけ移動させた位置に、結晶粒が連なった帯状領域２０が形成される。帯状領域２０の幅は４μｍである。２つの帯状領域２０に挟まれた領域のアモルファスシリコン膜、微結晶粒、及び小さな結晶粒は溶融するが、後述するように、帯状領域７内の大きな結晶粒は溶融しにくい。実際には、帯状領域７内の結晶粒は部分的に溶融するが、一部分は結晶のまま残存する。温度が低下するに従って、帯状領域７内に残存する結晶粒が種結晶となり、結晶成長が生じる。
【００５４】
１回目の照射で発生する結晶粒の大きさと同程度の結晶成長が生じると仮定すると、帯状領域７の両側に成長する結晶の長さは、４μｍ程度になる。このため、移動方向の前方側に位置する帯状領域７を中心として、幅１２μｍ程度の多結晶領域７ａが形成される。帯状領域７ａと、移動方向の前方側に位置する帯状領域２０との間の微結晶領域１５の幅は約７μｍになる。移動方向の後方側に位置する帯状領域７の周辺のアモルファスシリコン膜、微結晶粒、及び小さな結晶粒は溶融しないため、結晶成長は生じない。
【００５５】
図８Ｃに、レーザビームの入射位置を短軸方向にさらに１５μｍ移動させ、３回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
帯状領域２０を移動方向に１５μｍだけ移動させた位置に、結晶粒が連なった帯状領域２１が形成される。帯状領域２１の幅は４μｍである。さらに、帯状領域７ａ及び移動方向の前方側に位置する帯状領域２０内の結晶粒を種結晶として、結晶成長が生じる。
【００５６】
帯状領域７ａから、移動方向の後方側に向かって、約４μｍの結晶が成長する。同時に、帯状領域２０から、移動方向の前方側に向かって、約４μｍの結晶が成長する。帯状領域７ａと帯状領域２０とに挟まれた領域１５おいては、両側から中心に向かって結晶成長が生じる。領域１５の幅は、約７μｍであるため、両側からそれぞれ３．５μｍずつ成長した時点で、結晶粒同士が衝突し、結晶成長が止まる。
【００５７】
これにより、帯状領域７ａを含む幅１９．５μｍの帯状領域７ｂが形成され、帯状領域２０を含む幅１１．５μｍの帯状領域２０ａが形成される。帯状領域７ｂ及び２０ａ内には、長軸方向に連なった多数の結晶粒が形成されている。領域１５の中心線１６に沿って結晶粒界が配列する。なお、結晶粒同士が衝突するため、中心線１６の位置に、山脈状の凸部が形成される。
【００５８】
図８Ｄに、レーザビームの入射位置を短軸方向にさらに１５μｍ移動させ、４回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
帯状領域２１を移動方向の前方に１５μｍだけ移動させた位置に、帯状領域２２が形成される。帯状領域２０ａ内の結晶粒を種結晶として、移動方向の前方側に結晶が成長し、帯状領域２１内の結晶粒を種結晶として、その両側に結晶が成長する。これにより、幅１５μｍの帯状領域２０ｂ、及び幅１１．５μｍの帯状領域２１ａが形成される。
【００５９】
図８Ｅ〜図８Ｇに、それぞれレーザビームの入射位置を短軸方向に１５μｍずつ移動させ、５〜７回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
第５回目の照射により、新たに帯状領域２３が発生すると同時に、帯状領域２１ａ及び２２が広がり、帯状領域２１ｂ及び２２ａが形成される。第６回目の照射により、帯状領域２２ａ及び２３が広がり、帯状領域２２ｂ及び２３ａが形成される。第７回目の照射により、帯状領域２３ａが広がり、帯状領域２３ｂが形成される。
【００６０】
このように、レーザビームの入射位置を短軸方向に移動させながら照射を繰り返すことにより、アモルファスシリコン膜のほぼ全面を多結晶化させることができる。
【００６１】
図９に、図８に示した方法で作製した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図を示す。複数の帯状領域２５が観察される。各帯状領域２５の幅は約１５μｍであり、帯状領域２５内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒が形成されている。相互に隣り合う帯状領域２５の境界には、山脈状の突起２６が形成されている。
【００６２】
次に、図１０を参照して、全面を多結晶化するための条件について説明する。パルスレーザビームの入射位置を移動させる時のオーバラップ率を小さくすると、図８Ｃに示した微結晶領域１５の幅が拡がり、領域１５の両側から成長する結晶粒同士が衝突する前に、レーザビームの入射領域が領域１５から外れてしまう。また、オーバラップ率を一定に保っても、１照射あたりの結晶成長の長さが短くなると同様の現象が生じる。このため、１照射あたりの結晶成長の長さが短い場合には、オーバラップ率を高くしなければならない。
【００６３】
図１０に、１照射あたりの結晶成長の長さと、必要なオーバラップ率との関係を示す。横軸は、１照射あたりの結晶成長の長さを単位「μｍ」で表し、縦軸は、オーバラップ率を単位「％」で表す。例えば、１照射あたりの結晶成長の長さが１０μｍであるとき、オーバラップ率を７０％以上にすればよい。１照射あたりの結晶成長の長さが短くなると、全面を多結晶化するために必要なオーバラップ率が高くなることがわかる。
【００６４】
全面を多結晶化するためには、図８Ｂに示した微結晶領域１５の両側から成長する結晶粒同士が衝突するまで、微結晶領域１５の中心線１６が、レーザビーム照射によるシリコンの溶融領域内に収まるように、オーバラップ率を設定すればよい。
【００６５】
次に、図１１を参照して、アモルファスシリコン膜を多結晶化する場合のレーザビームの好ましい波長について説明する。
図１１に、アモルファスシリコンと単結晶シリコンとの光吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収係数を単位「×１０７ｃｍ−１」で表す。図中の黒丸及び白丸は、それぞれ単結晶シリコンの吸収係数及びアモルファスシリコンの吸収係数を示す。
【００６６】
波長が約３４０ｎｍ以上の領域で、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも大きいことがわかる。特に、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲においては、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも一桁以上大きい。一旦形成された結晶粒を種結晶として結晶成長を行う場合には、結晶粒を溶融させることなくアモルファスの領域を溶融させることが好ましい。実際に形成された結晶粒の分布する領域は単結晶ではなく多結晶である。多結晶シリコンの吸収係数は、結晶粒の大きさに依存し、単結晶とアモルファスとの中間の吸収係数になる。結晶粒が大きくなると、単結晶の吸収係数に近づき、結晶粒が小さくなると、アモルファスの吸収係数に近づく。
【００６７】
従って、図２Ｂに示した帯状領域７内の大きな結晶粒を溶融させることなく、アモルファス領域９、ランダム分布領域１２、及び微結晶領域８を優先的に溶融させるために、波長３４０ｎｍ以上のパルスレーザビームを使用することが好ましい。波長が長くなりすぎると吸収係数が低下するため、使用するパルスレーザビームの波長を９００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６８】
エキシマレーザの波長域（約３０８ｎｍ）においては、アモルファスシリコンの吸収係数が、波長３４０〜９００ｎｍにおける吸収係数よりも高い。このため、アモルファスシリコン膜の表面近傍でのみ吸収が生じ、厚さ方向に関して温度勾配が生じてしまう。これに対し、波長３４０〜９００ｎｍのレーザビームを使用すると、アモルファスシリコン膜の比較的深い領域までレーザビームが侵入し、厚さ方向に関してほぼ均等に加熱される。このため、より高品質な結晶を形成することができる。
【００６９】
次に、図１２を参照して、第３の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１２Ａに、照射するレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布と多結晶化される領域との関係を示す。パルスエネルギ密度の最も高い部分が入射する領域３５内に微結晶が形成され、その両側に、大きな結晶粒が長軸方向に連なった帯状領域３０Ａ及び３０Ｂが形成される。微結晶粒が形成された領域３５の幅が、帯状領域３０Ａ及び３０Ｂの各々の幅とほぼ等しくなるように、ビーム幅が設定されている。
【００７０】
レーザビームの入射位置を、短軸方向に、帯状領域３０Ａの幅と等しい距離だけ移動させて第２回目のレーザ照射を行う。
図１２Ｂに示すように、既に結晶粒が形成されている帯状領域３０Ａと３０Ｂとの間に、大きな結晶粒が連なった帯状領域３１Ａが形成される。同時に、移動方向の前方側に位置する帯状領域３０Ｂの前方側に、帯状領域３１Ｂが形成される。
【００７１】
このように、２回の照射によって、４つの帯状領域３０Ａ、３１Ａ、３０Ｂ、及び３１Ｂが形成される。相互に隣り合う帯状領域内の結晶粒同士は、相互に接触する。同様の工程を繰り返すことにより、全面を多結晶化することができる。
なお、温度条件によっては、図１２Ａに示した領域３５内に発生した核から新たに結晶粒が成長するのではなく、両側の帯状領域３０Ａ及び３０Ｂ内の結晶粒を種結晶として、結晶成長が生じる場合もあるであろう。
【００７２】
次に、図１３を参照して、第４の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１３Ａに、照射するレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布と多結晶化される領域との関係を示す。パルスエネルギ密度の最高値に対応する位置の両側に、大きな結晶粒が長軸方向に連なった帯状領域３６Ａ及び３６Ｂが形成される。ビーム幅が狭いため、帯状領域３６Ａ内の核から発生した結晶粒と、帯状領域３６Ｂ内の核から発生した結晶粒とが相互に接触する。両者の接触した線３８に沿って、結晶粒界が配列する。
【００７３】
帯状領域３６Ａと３６Ｂとの合計の幅だけ、レーザビームの入射位置を短軸方向に移動させ、２回目の照射を行う。
図１３Ｂに示すように、相互に接する帯状領域３７Ａと３７Ｂとが形成される。移動方向の後方側に位置する帯状領域３７Ａが、１回目の照射で形成された移動方向の前方側に位置する帯状領域３６Ｂに接する。同様の工程を繰り返すことにより、全面を多結晶化することができる。
【００７４】
第３及び第４の実施例において照射するパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布を、第１の実施例で説明した好適な形状にすることにより、大きな結晶粒を形成することができる。また、図７に示したように、同じ位置に、２ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒をより大きくすることができる。
【００７５】
次に、図１４〜図１５Ｃを参照して、第５の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１４に、加工対象物１のレーザビーム入射位置近傍の断面図、及びビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。一般的にパルスエネルギ密度は、パルスエネルギをビーム断面の面積で除することにより求められる。この計算で求められるパルスエネルギ密度は、厳密には、ビーム断面内における平均値である。ビーム断面内の光強度が一定ではないため、パルスエネルギ密度も一定ではない。光強度分布がガウス分布で近似される場合、パルスエネルギ密度分布もガウス分布で近似される。
【００７６】
図１４に示すように、加工対象物は、図２Ａを参照して説明した第１の実施例の場合と同様に、ガラス基板２の上に酸化シリコン膜３、及びアモルファスシリコン膜４が積層された積層基板である。パルスレーザビームの入射位置が図１４の右方に移動する。
【００７７】
図１に示したホモジナイザ７２を通過したレーザビームの一部が遮光板１８で遮光され、結像光学装置１９を介してアモルファスシリコン膜４に入射する。遮光板１８は、ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布の裾野の部分の光を遮光する。結像光学装置１９は、遮光板１８の配置された位置におけるビーム断面を、アモルファスシリコン膜４の表面に結像させる。結像倍率は例えば１倍である。
【００７８】
遮光板１８が配置されていない場合には、アモルファスシリコン膜４の表面におけるパルスレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布はガウス分布で近似される。すなわち、パルスエネルギ密度は、中央部で強く、縁に近づくに従って弱くなる。なお、パルスエネルギ密度の分布は必ずしもガウス分布である必要はなく、一般的に中央部で強く、縁に近づくに従って弱くなる分布でもよい。
【００７９】
パルスレーザビームの入射位置の進行方向の後方側の裾野のうち、パルスエネルギ密度がＥＨ以下の部分が遮光板１８で遮光されており、前方側においては、パルスエネルギ密度がＥＬ以下の部分が遮光されている。パルスエネルギ密度ＥＬは、ＥＨよりも低い。
【００８０】
実際には、遮光板１８で遮光されたビーム断面の縁において光強度が直ちに０にはならず、ビーム断面は遮光された位置よりも６μｍ程度外側まで広がっていた。なお、ビーム断面の縁は、光強度が、ピーク値の２０％になる位置とした。
【００８１】
このようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを、アモルファスシリコン膜４に１ショット入射させる。アモルファスシリコン膜４が完全に溶融する閾値以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが照射された領域が溶融する。パルスエネルギ密度ＥＬがこの閾値以上である場合、パルスレーザビームに照射された全領域が溶融する。溶融した部分が冷却される時に、溶融部分の縁から内部に向かって結晶が成長する。
【００８２】
図１５Ａに示すように、パルスレーザビームの入射位置の移動方向の後方側の縁に、ビーム断面の長軸方向に配列した多数の結晶粒１００ａが形成され、前方側の縁に多数の結晶粒１０１ａが形成される。結晶粒１００ａが形成された領域と結晶粒１０１ａが形成された領域とに挟まれた領域には、図３に示した領域８と同様に、微結晶粒が形成される。成長する結晶の長さは、溶融部分の温度と固液界面における温度勾配に依存する。後方側の縁における温度及び温度勾配と、前方側の縁における温度及び温度勾配とは、相互に異なる。このため、溶融した領域の両側の縁から成長した結晶の長さは、相互に異なる。
【００８３】
後方側の縁における温度及び温度勾配が、結晶成長に好ましい条件である場合、後方側の縁に形成された結晶粒１００ａが、前方側の縁に形成された結晶粒１０１ａよりも大きくなる。例えば、後方側の縁に形成された結晶粒１００ａの横方向の寸法を７〜８μｍにすることができた。
【００８４】
次に、パルスレーザビームの入射位置をビーム断面の短軸方向に移動させ、パルスレーザビームを１ショット入射させる。入射位置の移動距離は、新たに照射するパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が、結晶粒１００ａに接するかまたは重なる距離とする。前回の照射時に前方側の縁に形成された結晶粒１０１ａは、今回の照射により溶融する。
【００８５】
図１５Ｂに示すように、今回の照射で溶融した領域の後方側の縁においては、結晶粒１００ａを種結晶として横方向に結晶が成長し、結晶粒１００ａを内包する大きな結晶粒１００ｂが形成される。今回照射したパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が結晶粒１００ａに接する場合、結晶粒１００ｂの横方向の寸法は、結晶粒１００ａの寸法の約２倍の１４〜１６μｍになる。
【００８６】
パルスレーザビームの入射位置を、前回のショットで照射された領域と、今回のショットで照射される領域とが部分的に重なるように移動させながら、パルスレーザビームの照射を繰り返す。移動距離は、新たに照射するパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が、前回の照射で形成された後方側の結晶粒に接するかまたは重なる距離とする。
【００８７】
図１５Ｃに示すように、結晶粒が横方向に成長し、大きな結晶粒１００ｃが形成される。図１５Ｂの時点で、ビーム断面の前方側の縁に形成されていた小さな結晶粒１０１ｂは、その後のパルスレーザビームの照射によって溶融し、消滅する。
【００８８】
第５の実施例では、遮光板１８で画定されたビーム断面の後方側の縁から結晶が成長する。第１の実施例の場合には、図３に示したように大きな結晶粒の発生する帯状領域７が蛇行している。第５の実施例では、結晶粒１００ａの形成される位置が遮光板１８により人為的に決まるため、結晶粒１００ａの連なった帯状領域が蛇行することなく、ほぼ直線に沿った形状になる。このため、２回目の照射時に、ビーム断面の後方側の縁が、結晶粒１００ａの連なった帯状領域に接するように、容易に位置決めすることができる。
【００８９】
また、結晶成長の方向も、ビーム断面の長軸に直交する方向に揃う。多結晶膜に能動素子を形成する場合、形成すべき能動素子の電流方向と、結晶成長の方向とを平行にすることにより、結晶粒界に起因するキャリア移動度の低下を抑制することができる。
【００９０】
上記実施例では、１ショットのパルスレーザビームを入射させる度に、入射位置を移動させたが、図７を参照して説明したように、同じ位置に２ショットのパルスレーザビームを入射させるダブルパルス方式を採用してもよいし、マルチパルス方式を採用してもよい。これにより、形成される結晶粒を大きくすることができる。
【００９１】
図１４に示したパルスエネルギ密度分布の裾野のうち遮光すべき好ましい領域、すなわちパルスエネルギ密度ＥＨ及びＥＬの好ましい大きさは、遮光領域の大きさ（幅）を変えて複数の評価実験を行うことにより求めることができる。
【００９２】
以下、実際に行った評価実験の結果について説明する。レーザ光源から出射されたレーザビームを、幅１００μｍ、長さ１７ｍｍのビーム断面を有する長尺ビームに成形した。このビーム断面の幅方向の両側を遮光板で遮光し、幅２２μｍの断面形状とし、このビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させた。なお、ビーム断面の幅は、光強度分布の半値幅である。
【００９３】
レーザ光源を２台用い、１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームの、アモルファスシリコン膜表面におけるパルスエネルギ密度を、それぞれ５５０ｍＪ／ｃｍ２及び５００ｍＪ／ｃｍ２とし、遅延時間を１００ｎｓとしたダブルパルス方式を採用した。
【００９４】
この条件で、２ショットのパルスレーザビームを照射することにより、ビーム断面の走査方向後方側に形成される結晶粒１００ａの幅が３．１μｍになった。３μｍのピッチでパルスレーザビームが入射するように、アモルファスシリコン膜の表面を走査することにより、図１５Ｃに示したように、走査方向に連続的に結晶を成長させることができた。各結晶粒の配向性を測定したところ、結晶の成長方向（走査方向）と平行な方向に各結晶粒の＜１１０＞方向が揃っていた。
【００９５】
次に、図１６〜図１７Ｃを参照して、第６の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図１６に示すように、第６の実施例では、パルスレーザビームの入射位置の移動方向の前方側において、パルスエネルギ密度がＥＨ以下の裾野の部分が遮光板１８で遮光され、後方側において、パルスエネルギ密度がＥＬ以下の裾野の部分が遮光板１８で遮光されている。
【００９６】
図１７Ａに示すように、１ショットの照射を行うと、ビーム断面の前方側の縁に比較的大きな結晶粒１１０ａが形成され、後方側の縁に比較的小さな結晶粒１１１ａが形成される。
図１７Ｂに示すように、パルスレーザビームの入射位置を移動させて次の１ショットの照射を行うと、結晶粒１１０ｂ及び１１１ｂが形成される。比較的大きな結晶粒１１０ａは溶融しにくいため、次の照射以降の照射によってほとんど溶融しない。結晶粒１１０ｂは、溶融した領域の前方側の縁から後方側（結晶粒１１０ａ側）に向かって成長したものである。結晶成長の先端が結晶粒１１０ａに達した時点で成長が停止する。
【００９７】
このとき、既に形成されている結晶粒１１０ａを種結晶とした横方向の結晶成長も生ずる。このため、パルスレーザビームの入射位置の移動ピッチは、結晶粒１１０ａの幅よりも長くすることができる。
【００９８】
図１７Ｃに示すように、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら照射を繰り返すと、比較的大きな結晶粒１１０ａ〜１１０ｅが形成される。また、図１７Ｃにおいては、３回目の照射時に、ビーム断面の後方側の縁に比較的小さな結晶粒１１１ｃが形成されている。４回目以降の照射においては、ビーム断面の後方側の縁が、比較的大きな結晶粒１１０ａ〜１１０ｅの内部に位置することになるため、後方側の縁近傍には溶融部分が生じない。
【００９９】
第６の実施例では、図１７Ｃに示したように、例えば結晶粒１１０ａの連なった帯状領域と、結晶粒１１０ｂの連なった帯状領域との間に、明確な境界が形成される。この境界の位置は、遮光板１８で人為的に決定される。例えば、多結晶化されたシリコン薄膜に能動素子を形成する場合、能動素子が結晶粒の境界を跨がないように、結晶粒の境界を配置させることが可能である。以上のようにして、図９のように帯状領域で基板全面を覆うことも可能である。
【０１００】
以下、実際に行った評価実験の結果について説明する。レーザ光源から出射されたレーザビーム成形し、幅１００μｍ、長さ１７ｍｍのビーム断面を有する長尺ビームにする。ビーム断面の、走査方向前方側の縁を遮光板で遮光して、幅５５μｍの断面形状とし、このビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させた。レーザ光源を２台用い、１ショット目及び２ショット目のパルスレーザビームの、アモルファスシリコン膜表面におけるパルスエネルギ密度を、それぞれ７１０ｍＪ／ｃｍ２及び６４０ｍＪ／ｃｍ２とし、遅延時間を２００ｎｓとしたダブルパルス方式を採用した。
【０１０１】
この条件で、２ショットのパルスレーザビームを照射することにより、ビーム断面の、走査方向前方側に形成される結晶粒１１０ａの幅が５．４μｍになった。１２μｍのピッチでパルスレーザビームが入射するようにアモルファスシリコン膜の表面を走査することにより、ビーム断面の長手方向に結晶粒が連なった幅１２μｍの帯状領域が形成された。相互に隣り合う帯状領域の結晶粒は、帯状領域の境界において相互に接触し、全面を多結晶化することができた。
【０１０２】
１回の照射で形成される結晶粒１１０ａの幅が５．４μｍであるにもかかわらず、最終的に形成される帯状領域の幅が１２μｍになるのは、１回の照射で形成された幅５．４μｍの結晶粒を種結晶として、その後の照射によって横方向の結晶成長が生じるためである。この成長過程は、図８Ａ〜図８Ｇで説明した結晶成長過程と同様である。
【０１０３】
上記第５及び第６の実施例の評価実験では、ダブルパルス方式を採用した。このとき、１ショット目のパルスレーザビームが入射してから２ショット目のパルスレーザビームが入射するまでの遅延時間を１００〜１０００ｎｓとすることが好ましい。この好適な遅延時間は、遮光板を用いない場合に比べてやや短い。これは、ビーム断面の両側において光強度分布の傾斜が急峻であり、遮光板を用いない場合に比べて固化速度が速いためである。
【０１０４】
次に、第７の実施例について説明する。第５及び第６の実施例では、ビーム断面の幅方向に関して光強度分布（またはパルスエネルギ密度分布）が非対称になるように、遮光板でレーザビームの一部を遮光したが、対称になるように遮光してもよい。光強度分布が対称になると、走査方向の前方側の縁と後方側の縁とに、ほぼ同じ大きさの結晶粒が形成される。このため、図８Ａ〜図８Ｇを参照して説明した第２の実施例、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して説明した第３の実施例、または図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して説明した第４の実施例による方法と同様の方法により、アモルファスシリコン膜の多結晶化を行うことができる。
【０１０５】
上記第５〜第７の実施例では、遮光板の配置された位置におけるビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させたが、アモルファスシリコン膜に近接させて遮光板を配置してもよい。遮光板とアモルファスシリコン膜との間隔は、例えば０．１ｍｍ程度とすればよいであろう。
【０１０６】
上記第１及び第６の実施例では、レーザビームの一部を遮光板で遮光することにより、ビーム断面の幅方向に関して非対称な光強度分布を有するレーザビームを形成したが、その他の光学装置により光強度分布を非対称にしてもよい。例えば、石英ガラスの表面にクロム（Ｃｒ）等のドットパターンを配置したグラディエイションフィルタを光路内に配置してもよい。
【０１０７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限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自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略平面図である。
【図２Ａ】加工対象物の断面図、及び第１の実施例で使用されるパルスレーザビームの、加工対象物表面におけるパルスエネルギ密度分布を示すグラフである。
【図２Ｂ】多結晶化された加工対象物の模式的な平面図である。
【図３】第１の実施例による方法で作製した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図である。
【図４Ａ】溶融したシリコンの温度と結晶成長速度との関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】温度と核生成率との関係を示すグラフである。
【図５Ａ】ビーム断面の幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
【図５Ｂ】パルスエネルギ密度分布の勾配と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
【図６】パルス幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。
【図７】１箇所に２ショットのパルスレーザビームを入射させる場合の、レーザビーム波形の一例を示すグラフである。
【図８】第２の実施例による多結晶膜の製造方法における製造途中の薄膜断面を模式化した図である。
【図９】第２の実施例による方法で製造した多結晶膜のＳＥＭ写真をスケッチした図である。
【図１０】１照射あたりの結晶成長の長さと、全面を多結晶化させるために必要なオーバラップ率との関係を示すグラフである。
【図１１】単結晶シリコンとアモルファスシリコンの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
【図１２Ａ】第３の実施例による多結晶膜の製造方法で使用されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布と多結晶化領域との関係を示す図である。
【図１２Ｂ】製造された多結晶膜の模式的な平面図である。
【図１３Ａ】第４の実施例による多結晶膜の製造方法で使用されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布と多結晶化領域との関係を示す図である。
【図１３Ｂ】製造された多結晶膜の模式的な平面図である。
【図１４】第５の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる処理対象基板と遮光板の断面図、及びパルスエネルギ密度の分布を示すグラフである。
【図１５Ａ】第５の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
【図１５Ｂ】第５の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
【図１５Ｃ】第５の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
【図１６】第６の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる処理対象基板と遮光板の断面図、及びパルスエネルギ密度の分布を示すグラフである。
【図１７Ａ】第６の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
【図１７Ｂ】第６の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
【図１７Ｃ】第６の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。
【国際調査報告】
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