(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体膜に、粒径が大きい半導体結晶を形成可能な第１のエネルギーＥ１のレーザ光を走査しながら１回以上照射する第１の照射工程と、
前記半導体膜に、前記第１のエネルギーＥ１よりも低く、かつ、前記第１の照射工程で生成された微結晶を再結晶化可能な第２のエネルギーＥ２のレーザ光を照射する第２の照射工程とを有し、
前記第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ以上、かつ半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφ以下のエネルギーであり、
前記第２のエネルギーＥ２は前記半導体の微結晶化のしきい値Ｅμよりも低いエネルギーであることを特徴とする結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記第２のエネルギーＥ２は、前記第１のエネルギーＥ１の設定値から前記第１のエネルギーＥ１の出力変動の標準偏差σの３倍の値を減じた値であることを特徴とする請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記第１の照射工程及び前記第２の照射工程は、いずれも波長が３５０ｎｍ以下の紫外線を発生するレーザ光源を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項４】
シランガスを原料とし、プラズマＣＶＤ法を用いて、室温から２３０℃までの範囲の温度条件下で、基板上に水素化アモルファスシリコン膜を形成する工程と、
粒径が大きい半導体結晶を形成可能な第１のエネルギーＥ１のレーザ光を前記シリコン膜に照射する第１の照射工程と、
前記シリコン膜に、前記第１のエネルギーＥ１よりも低く、かつ、前記第１の照射工程で生成された微結晶を再結晶化可能な第２のエネルギーＥ２のレーザ光を照射する第２の照射工程とを有し、
前記第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ以上、かつ半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφ以下のエネルギーであり、
前記第２のエネルギーＥ２は前記半導体の微結晶化のしきい値Ｅμよりも低いエネルギーであることを特徴とする結晶性半導体膜の製造方法。
【請求項５】
制御手段と、
前記制御手段により制御される光源と、
前記光源から出射されたレーザ光の光路を基板上の半導体膜に向けて変更する光路変更手段と、
前記光源から出射されたレーザ光の強度を検出する検出手段とを有し、前記制御手段は前記光源から出射された第１のエネルギーＥ１のレーザ光により前記基板上の半導体膜を照射するとともに、前記検出手段の出力を基に前記半導体膜の結晶性の良否を判定し、その結果に基づいて前記半導体膜に前記第１のエネルギーＥ１よりも低い第２のエネルギーＥ２のレーザ光を選択的に照射する結晶化装置であって、
前記第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ以上、かつ半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφ以下のエネルギーであり、
前記第２のエネルギーＥ２は前記半導体の微結晶化のしきい値Ｅμよりも低いエネルギーであることを特徴とする結晶化装置。
【請求項６】
基板上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜に粒径が大きい半導体結晶を形成可能な第１のエネルギーＥ１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、
前記半導体膜に、前記第１のエネルギーよりも低く、かつ、前記第１の照射工程で生成された微結晶を再結晶化可能な第２のエネルギーＥ２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、
前記半導体膜をパターニングする工程と、
前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体膜に不純物を導入する工程とを有し、
前記第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ以上、かつ半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφ以下のエネルギーであり、
前記第２のエネルギーＥ２は前記半導体の微結晶化のしきい値Ｅμよりも低いエネルギーであることを特徴とするＴＦＴの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に薄膜素子を形成する際に使用される結晶性半導体膜の製造方法及びその製造方法において使用する結晶化装置に関し、特に液晶表示装置用薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、ＴＦＴという）の製造に好適な結晶性半導体膜の製造方法及び結晶化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々の電子機器のディスプレイとして液晶表示装置が使用されるようになった。ＴＦＴ等の能動素子が画素毎に設けられたアクティブマトリクス方式の液晶表示装置は、表示品質の点でもＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）に匹敵するほど優れたものが得られるようになり、携帯テレビやコンピュータ等のディスプレイにも使用されている。
【０００３】
一般的なアクティブマトリクス方式の液晶表示装置では、ガラス基板の上にＴＦＴを形成している。この場合、ガラスの歪点（約６００〜６５０℃）以下の温度でＴＦＴを形成することが必要であることから、通常、ＴＦＴの活性層としてアモルファスシリコンが使用されていた。
しかし、アモルファスシリコンではキャリアの移動速度が遅いため、ポリシリコンの使用が要望されるようになった。例えば、Ｐチャネル型ＴＦＴの場合では、ポリシリコンを使用することにより、アモルファスシリコンを使用した場合に比べて数桁大きいキャリア移動速度が得られる。
【０００４】
ガラス基板の歪点以下の温度でポリシリコン膜を形成するプロセスは低温ポリシリコンプロセスといわれ、現在、以下に示す方法が知られている。
（１）減圧ＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法によりガラス基板上にポリシリコンを堆積する方法。
（２）ＣＶＤ法によりガラス基板上にアモルファスシリコンを堆積し、その後電気炉等でアニールすることによりシリコン結晶を固相成長させて、ポリシリコン膜を形成する方法。
【０００５】
（３）ＣＶＤ法によりガラス基板上にアモルファスシリコンを堆積した後、エキシマレーザビームを照射してアモルファスシリコンを一旦溶融し、その後凝固させてポリシリコン膜を得る方法。
これらの低温ポリシリコンプロセスのうち、ポリシリコン膜の結晶性が最も良好なことから、液晶表示装置の薄膜トランジスタの製造には主に（３）のエキシマレーザを用いた方法が使用されている。エキシマレーザは、発振波長が３５０ｎｍ以下であり、紫外線領域付近に発振波長をもつ。一般的な低温ポリシリコンプロセスでは、波長が３０８ｎｍのエキシマレーザが使用されている。
【０００６】
エキシマレーザを用いた方法では、極めて短い時間（約２００nsec）内で加熱及び冷却が行われるため、ガラス基板に対するダメージが少ないという利点がある。また、この方法では、シリコンを一旦溶融した後、再結晶させることによりポリシリコン膜を形成するので、膜質が良好であり、良好なトランジスタ特性が得られるという利点もある。但し、エキシマレーザでは液晶表示装置に使用するような大型のガラス基板を一括して処理することができるような出力を得ることは極めて困難である。このため、通常はエキシマレーザの照射ビームの形状を、幅が約０．５ｍｍ、長さが約２００ｍｍの線状とし、レーザ光の照射域をガラス基板に対して相対的に移動させることにより、基板全面を処理している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来方法で形成したポリシリコン膜では、シリコン結晶の粒径が比較的小さく、ＴＦＴのトランジスタ特性の向上が十分ではない。
以上から本発明の目的は、粒径が大きい結晶からなる結晶性半導体膜を比較的容易に形成することができて、従来方法に比べトランジスタ特性が優れたＴＦＴを製造できる結晶性半導体膜の製造方法及びその製造方法において使用する結晶化装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る結晶化半導体膜の製造方法は、基板上に形成された半導体膜に、粒径が大きい半導体結晶を形成可能な第１のエネルギーＥ１のレーザ光を走査しながら１回以上照射する第１の照射工程と、前記半導体膜に、前記第１のエネルギーＥ１よりも低く、かつ、前記第１の照射工程で生成された微結晶を再結晶化可能な第２のエネルギーＥ２のレーザ光を照射する第２の照射工程とを有し、前記第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ以上、かつ半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφ以下のエネルギーであり、前記第２のエネルギーＥ２は前記半導体の微結晶化のしきい値Ｅμよりも低いエネルギーであることを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、第１の照射工程において、半導体膜に第１のエネルギーＥ１の光を照射する。この第１の照射工程では、大きな半導体結晶を形成することを目的としており、比較的高いエネルギーの光を照射する。このように高いエネルギーの光を照射することにより粒径が大きい結晶を形成することができるが、同時に微結晶も生成される。本発明においては、第２の照射工程で第１のエネルギーＥ１よりも低いエネルギーＥ２の光を照射して、第１の照射工程で生成された微結晶を再結晶化する。
【００１０】
これにより、微結晶を殆ど含まず、結晶粒径が大きな半導体結晶からなる結晶性半導体膜を得ることができる。
前記第１のエネルギーＥ１は、上述したように粒径が大きい結晶を形成することを目的とするので、エネルギーが高いほうがよいが、エネルギーを過剰に高くするとかえって結晶粒径が小さくなったり、極端な場合には半導体膜が蒸発してしまう。このため、第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ又は半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφのいずれかを目標として設定することが好ましい。
【００１１】
また、前記第２のエネルギーＥ２は、第１の照射工程で発生した微結晶を溶融して再結晶化させることを目的としている。第１のエネルギーＥ１を半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ又は半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφを目標として設定した場合、Ｅ１との差が小さいと、光源の出力変動によりＥ２の値がＥ１の値を瞬間的に超えてしまうことが考えられる。このため、Ｅ２の値は、Ｅ１の設定値から、Ｅ１の出力変動の標準偏差σの３倍の値を減じた値を目標に設定することが好ましい。
【００１８】
本願発明に係る結晶化装置は、図１１に例示するように、制御手段（５７）と、前記制御手段（５７）により制御される光源（１１）と、前記光源（１１）から出射されたレーザ光の光路を基板（１５）上の半導体膜に向けて変更する光路変更手段（５５）と、前記光源（１１）から出射されたレーザ光の強度を検出する検出手段（５６）と、を有し、前記制御手段（５７）は前記光源（１１）から出射された第１のエネルギーＥ１のレーザ光により前記基板（１５）上の半導体膜を照射するとともに、前記検出手段（５６）の出力を基に前記半導体膜の結晶性の良否を判定し、その結果に基づいて前記半導体膜に前記第１のエネルギーＥ１よりも低い第２のエネルギーＥ２のレーザ光を選択的に照射する結晶化装置であって、前記第１のエネルギーＥ１は、半導体の微結晶化のしきい値Ｅμ以上、かつ半導体結晶の粒径が最大となるエネルギーＥφ以下のエネルギーであり、前記第２のエネルギーＥ２は前記半導体の微結晶化のしきい値Ｅμよりも低いエネルギーであることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する前に、本発明について、より詳細に説明する。
本願発明者らは、粒径が大きいシリコンからなる半導体膜を形成すべく種々実験検討した結果、以下の知見を得た。
【００２０】
すなわち、アモルファスシリコンに照射するエキシマレーザのエネルギーがある一定の値よりも小さいときは結晶化が起こらない。以下、この一定の値を結晶化のしきい値Ｅｃと呼ぶ。エキシマレーザのエネルギーが結晶化のしきい値Ｅｃよりも大きくなるとエネルギーの増大に伴って結晶粒径も大きくなる。しかし、エネルギーが大きすぎると、微結晶が発生するようになる。微結晶が発生し始めるエネルギーを、微結晶化のしきい値Ｅμという。
【００２１】
従って、エキシマレーザの出力エネルギーは、微結晶化のしきい値Ｅμよりも若干低い値に設定することが好ましい。しかしながら、実際にそのように設定しても、エキシマレーザの出力エネルギーの設定値と微結晶化のしきい値との差が小さいと、出力変動によりエキシマレーザの出力エネルギーが微結晶化のしきい値Ｅμを超えてしまうことがあるので、微結晶が発生する。
【００２２】
図１は、アモルファスシリコンに照射するエキシマレーザのエネルギーと、レーザ照射により得られたポリシリコンの結晶粒径及び微結晶領域体積比との関係を調べた結果を示す図である。
すなわち、図１は横軸にエキシマレーザのエネルギーをとり、縦軸に結晶粒径及び過剰なエネルギー照射によって生じた微結晶領域の体積比をとって、これらの関係を示す図である。この図１において、破線はエネルギーと結晶粒径との関係を示し、一点鎖線はエネルギーと結晶領域体積比との関係を示している。また、図中、Ｅｃは結晶化のしきい値エネルギーを示し、Ｅμは微結晶化のしきい値エネルギー、Ｅφは最大の結晶粒径を得られるエネルギーを示している。Ｅｐは従来方法で設定されているエネルギーの範囲であり、この範囲内であれば微結晶化を生じさせずに膜を結晶化することができる。
【００２３】
この図１に示すように、レーザ光のエネルギーがＥｃを超えると、レーザ光のエネルギー増加に伴ってシリコン結晶の粒径が大きくなる。そして、レーザ光のエネルギーがＥｐの範囲のときは、レーザ光のエネルギーに拘わらず、結晶粒径はほぼ一定となる。レーザ光のエネルギーがＥｐを超えるとレーザ光のエネルギー増加に伴って結晶粒径が大きくなるが、微結晶化が開始される。レーザ光のエネルギーがＥφのときは結晶粒径が最大になるが、Ｅφを超えると結晶粒径が小さくなり、微結晶領域の体積比が増大する。
【００２４】
図２は横軸にゲート電圧をとり、縦軸にドレイン電流をとって、正常なＴＦＴの特性と微結晶化した領域を含むポリシリコン薄膜によって形成されたＴＦＴ（微結晶Ｓｉ−ＴＦＴ）との特性を示す図である。この図２に示すように、微結晶化した領域を含むポリシリコン薄膜によって形成されたＴＦＴは、正常なＴＦＴに比べて特性が著しく劣化する。
【００２５】
図１に示すように、レーザ光のエネルギーがＥμを超えない限り、レーザ光のエネルギーの増加に伴ってシリコン結晶の粒径は増大し、ＴＦＴの特性は良好なものとなる。しかし、結晶の粒径が最大値なるようにレーザ光のエネルギーをＥφに設定すると、光源の出力変動により微結晶が生じるようになり、ＴＦＴの特性はかえって低下してしまう。このため、従来は、一般的にレーザ光のエネルギーをＥφよりも下げて、Ｅｐで示す範囲内となるように設定している。このため、得られるポリシリコンの結晶の粒径は必然的に小さいものとなってしまう。
【００２６】
一方、本発明においては、微結晶化のしきい値エネルギーＥμを超えるようなエネルギーＥ１でシリコン膜をレーザ照射（第１の照射）した後、Ｅ１よりも小さいエネルギー、好ましくはＥμよりも小さいエネルギーＥ２でシリコン膜を照射（第２の照射）する。これにより、第１の照射で微結晶化した領域が発生しても、第２の照射によって微結晶が溶解し、再び結晶化するため、微結晶が膜中に殆ど残らない。
【００２７】
図３は、上述のように第１の照射及び第２の照射により結晶化したポリシリコンの結晶粒径のエネルギー依存性を示す図である。この図３に示すように、第１の照射で微結晶化のしきい値Ｅμを超えるエネルギーを照射しても、第２の照射で微結晶を再度溶融して結晶化するので、微結晶が膜中に殆ど残らない。
また、第２の照射を行うときには、微結晶化領域の周囲に既に大きな結晶があるため、これらの結晶を起点としてシリコンが成長する。このため、図３に示すように、大きい結晶粒径が得られるエネルギー領域が広がる。
【００２８】
前記第１の照射工程及び第２の照射工程のうちの少なくとも一方の工程は、不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、前記第１の照射工程及び第２の照射工程のうちの少なくとも一方の工程を、真空中で行ってもよい。
なお、従来、微結晶化したシリコン膜を再結晶化することはできないとする考えかたもあった。しかし、本願発明者らの実験研究の結果、以下の実施の形態で説明するように適切な条件でレーザ光を照射することにより、微結晶を溶融して結晶化することが可能であり、再結晶後の領域の結晶粒径は微結晶のない領域の結晶粒径と同じとなることが確認された。
【００２９】
（第１の実施の形態）
図４は本発明の第１の実施の形態の結晶性半導体膜の製造方法において使用する結晶化装置の構成を示す模式図である。この結晶化装置は、エキシマレーザ１１と、アッテネータ１２と、光学系１３と、反射ミラー１４と、ステージ１６とにより構成されている。
【００３０】
エキシマレーザ１１から出射されたレーザ光は、アッテネータ１２で所定の光量に減衰される。そして、光学系１３で分散されて、所定のビーム形状（例えば、幅が０．５ｍｍ、長さが２００ｍｍの線状）となる。光学系１３で所定の形状に成形されたレーザ光は、反射ミラー１４により反射され、アモルファスシリコン膜が形成されたガラス基板１５を照射する。ガラス基板１５はステージ１６上に載置され、ステージ１６を移動させることによって、レーザ光の照射域をガラス基板１５に対し相対的に移動させることができる。
【００３１】
以下、上記の結晶化装置を使用した結晶性半導体膜の製造方法について説明する。
まず、ＣＶＤ法等によりアモルファスシリコン膜を形成したガラス基板１５を用意する。その後、第１の照射工程を実施する。すなわち、ガラス基板１５をステージ１６上に載置し、ステージ１６を一方向に所定の速度で移動させながら、ガラス基板１５の上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザ１１から出力されたレーザ光を照射する。このときのレーザ光のエネルギーは、例えば微結晶化のしきい値Ｅμから最大の結晶粒が得られるエネルギーＥφまでの間のエネルギーとする。これにより、結晶粒径が大きいシリコン結晶が形成されるが、同時に比較的多くの微結晶も発生する。
【００３２】
次に、第２の照射工程を実施する。すなわち、再度ステージ１６を一方向に移動させながら、ガラス基板１５の上のシリコン膜にエネルギーがＥμよりも低いレーザ光を照射する。この第２の照射によって微結晶が溶融し、その後大きな結晶を起点として結晶が成長するので、比較的大きな結晶粒からなるポリシリコン膜を形成することができる。
【００３３】
本実施の形態のように、第１の照射工程でシリコン膜に対し、エネルギーがＥμ又はＥφのレーザ光を照射し、その後、Ｅμよりも低いエネルギーのレーザ光を照射することにより、粒径の大きな結晶を得ることができる（図３参照）。第１の照射工程では微結晶が発生するが、これらの微結晶は第２の照射工程で溶解し、再度結晶化して大きな結晶粒となる。これにより、微結晶が殆ど残らず、特性が均一のポリシリコン膜が容易に形成できる。また、再結晶時には第１の照射工程で発生した比較的粒径が大きな結晶を起点として再結晶が起こるので、粒径の大きな結晶が得られるエネルギー範囲が広がる。従って、本実施の形態により製造したポリシリコン膜は結晶粒径のばらつきが少なく、ＴＦＴを製造した場合にＴＦＴの特性が均一化されるという利点がある。
【００３４】
以下、本実施の形態により実際にポリシリコン膜を製造した結果について説明する。
第１の照射に用いられるレーザ光のエネルギーＥ１は、最終的に得られる結晶粒径を決めるため、できる限り大きいエネルギーが好ましい。しかしながら、あまり大きなエネルギーを照射すると膜の蒸発等の別の不良を生じてしまう。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、エネルギーＥ１を、微結晶化のしきい値Ｅμ又は最大の結晶粒の得られるエネルギーＥφを指標として設定した。
ラムダフィジック社製エキシマレーザＬ４３０８Ａ（発振波長３０８ｎｍ）を光源とし、膜厚５００Åのアモルファスシリコン膜をポリシリコン膜へと結晶化する加工を行う場合、本願発明者らの実験では、Ｅφ、Ｅμの値はそれぞれ以下に示すような値となった。
【００３６】
Ｅφ＝３６０ｍＪ
Ｅμ＝３５０ｍＪ
この値は、光源であるレーザの安定性や、図４中に示した光学系１３によるビーム形状によって変化する。従って、これらの条件が異なる場合は、レーザ光のエネルギーの設定値を上記の値とするのではなく、装置等にあわせて適宜設定する必要がある。
【００３７】
なお、基本的には、第１の照射時のエネルギーＥ１は最大粒径が得られるエネルギーＥφとすることが好ましいが、最大粒径が得られるエネルギーＥφと微結晶化のしきい値Ｅμとは接近しているので、どちらを目標値として用いてもよく、本願発明者らが実験した範囲では大きな違いは認められなかった。
次に、第２の照射で用いられるエネルギーＥ２は、微結晶化した領域を修復するのが目的であるため、Ｅ１以下とする必要がある。一般的には、第２の照射工程でのエネルギーの設定基準としては、光源の出力変動の標準偏差の３倍分だけＥ１よりも低く設定することが好ましい。例えば、前述のラムダフィジック社のレーザ装置では出力変動の標準偏差をσとすると、３σの値は以下に示すようになっていた。
【００３８】
0004472066.tif 000002
従って、Ｅ１＝Ｅφ（＝３６０ｍＪ）とすると、第２の照射工程におけるレーザ光のエネルギー設定値Ｅ２の値は以下に示すようになる。
0004472066.tif 000003
なお、Ｅ１の値をＥμ（＝３５０ｍＪ）としても、Ｅ２のエネルギーはほぼ上記の値となる。
【００３９】
この例では、発振波長が３０８ｎｍのエキシマレーザを用いたが、これに限るわけではなく、シリコン膜に対する吸収係数が１０5 ／ｃｍ以上を示す波長の光を出力する光源であれば、通常の薄膜トランジスタに必要な活性層の膜厚（〜１０００Å）に十分対応することが可能である。
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００４０】
本願発明者らの実験によれば、レーザ光による微結晶化には、過剰なエネルギー照射以外に、雰囲気との反応による異常な核形成が存在することが判明している。
例えば、第１の照射を下記表１に示す各雰囲気（真空中、窒素雰囲気中及び空気中）で行い、第２の照射を真空中で行った場合、微結晶化のしきい値Ｅμ及び最大結晶が得られるエネルギーＥφは下記表１に示すようになった。すなわち、第１の照射を真空中で行った場合には、結晶粒径が大きく、微結晶化も生じにくいということが判明した。また、窒素雰囲気の場合は、空気中よりも大きい結晶粒径が得られた。
【００４１】
【表１】
0004472066.tif 000004
上記の表１から、粒径の大きな結晶からなるポリシリコン膜を形成するためには、第１の照射及び第２の照射をいずれも真空中で行えばよい。しかし、真空中でシリコン膜にレーザ光を照射した場合は、チャンバ内でシリコンが蒸発して光線を導入する窓に付着し、レーザ光の光量を減少させてしまう。一方、第１の照射工程ではレーザ光のエネルギーが大きいため、真空中でなくても、例えば窒素雰囲気中でレーザ光の照射を行っても、空気中で照射する場合に比べて粒径が大きな結晶を得ることができる。また、窒素に代えてアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の希ガス元素を用いても、空気中でレーザ照射した場合に比べて粒径が大きな結晶を得ることができる。
【００４２】
そこで、本実施の形態においては、第１の照射工程を窒素雰囲気中で行い、第２の照射工程を真空中で行う。
図５は第２の実施の形態で使用する結晶化装置を示す模式図である。
この結晶化装置は、試料を搬入及び搬出する搬入・搬出用チャンバ２１と、搬送ロボット２２ａが配置された基板搬送チャンバ２２と、第１の照射チャンバ２３及び第２の照射チャンバ２５とにより構成されている。第１の照射チャンバ２３の上には、第１のエキシマレーザ光源２４ａ、第１のアッテネータ２４ｂ及び第１の光学系２４ｃが設けられている。そして、レーザ光源２４ａで発生したレーザ光は、アッテネータ２４ｂで所定の光量に減衰され、光学系２４ｃで所定のビーム形状に成形された後、チャンバ２３の窓２３ａを介してチャンバ２３内に導入されるようになっている。
【００４３】
これと同様に、第２の照射チャンバ２５の上には、第２のエキシマレーザ光源２６ａ、第２のアッテネータ２６ｂ及び第２の光学系２６ｃが設けられており、レーザ光源２６ａで発生したレーザ光は、アッテネータ２６ｂで所定の光量に減衰され、光学系２６ｃで所定のビーム形状に成形された後、チャンバ２５の窓２５ａを介してチャンバ２５内に導入されるようになっている。
【００４４】
チャンバ２１とチャンバ２２との間、チャンバ２２とチャンバ２３との間、及びチャンバ２２とチャンバ２５との間には、それぞれ開閉自在の扉（図示せず）が設けられており、これらの扉を閉じたときは各チャンバ２１，２２，２３，２５はそれぞれ気密性が保持されるようになっている。また、これらのチャンバ２１，２２，２３，２５はいずれも排気装置（図示せず）に接続されており、更に第１の照射チャンバ２３は窒素供給装置（図示せず）にも接続されている。更にまた、チャンバ２３内及びチャンバ２５内には、それぞれガラス基板１５を一方向に移動させるためのステージ（図示せず）が配置されている。なお、図中符号Ａで示す部部は、レーザ光のビーム形状を示しており、破線矢印で示すように、レーザビームの照射域は例えば基板１５の左半分の領域を縦方向（下方向）に移動した後、基板１５の右半分の領域を縦方向（上方向）に移動する。
【００４５】
以下、上記の結晶化装置を使用した結晶性半導体膜の製造方法について説明する。
まず、ＣＶＤ法等によりアモルファスシリコン膜を形成したガラス基板１５を用意する。また、チャンバ２２，２３、２５内を排気装置により十分に排気しておく。そして、窒素供給装置からチャンバ２３内に窒素（Ｎ2 ）を供給し、チャンバ２３内に窒素を充填しておく。
【００４６】
ガラス基板１５を搬入・搬出用チャンバ２１内に載置する。その後、チャンバ２１内を十分に排気した後、チャンバ２１とチャンバ２２との間の扉を開き、搬送ロボット２２ａによりガラス基板１５をチャンバ２２内に搬送する。
その後、チャンバ２１とチャンバ２２との間の扉を閉じ、チャンバ２２とチャンバ２３との間の扉を開いて、搬送ロボット２２ａによりガラス基板１５をチャンバ２３内の所定の位置に配置する。その後、チャンバ２２とチャンバ２３との間の扉を閉じる。
【００４７】
次に、レーザ光源２４ａから出力されたレーザ光を窓２３ａを介してチャンバ２３内に導入し、ガラス基板１５の上のシリコン膜を照射するとともに、ガラス基板１５を所定の速度で一方向に移動させる。このとき、レーザ光のエネルギーはＥφ又はＥμを基準として設定する。この第１の照射工程では、アモルファスシリコンが結晶化し、比較的大きな結晶粒が生成されるとともに、微結晶も発生する。なお、チャンバ２３内には窒素を連続的に供給し、チャンバ２３内の圧力を例えば１気圧に維持しておく。
【００４８】
次に、チャンバ２２とチャンバ２３との間の扉を開き、搬送ロボット２２ａによりガラス基板１５をチャンバ２２内に搬送する。そして、チャンバ２２とチャンバ２３との間の扉を閉じた後、チャンバ２２とチャンバ２５との間の扉を開き、ガラス基板１５をチャンバ２５内の所定の位置に配置する。その後、チャンバ２２とチャンバ２５との間の扉を閉じる。
【００４９】
次に、排気装置によりチャンバ２５内を排気し、チャンバ２５内の圧力が例えば１×１０-6Torr（１．３３×１０-4Ｐａ）以下に到達した後、レーザ光源２６ａから出力されたレーザ光を窓２５ａを介してチャンバ２５内に導入し、ガラス基板１５の上のシリコン膜を照射するとともに、ガラス基板１５を所定の速度で一方向に移動させる。このとき、レーザ光のエネルギーは結晶化のしきい値Ｅｃよりも大きく、微結晶化のしきい値Ｅμよりも小さいことが必要である。具体的には、前述したように、Ｅμ又はＥφの値よりも３σだけ低いエネルギーに設定すればよい。
【００５０】
この第２のレーザ照射により、シリコン膜中の微結晶が一旦溶融した後、再結晶化が起こる。これにより、シリコン膜中の微結晶がなくなり、粒径の大きな結晶からなるポリシリコン膜が得られる。
次いで、チャンバ２２とチャンバ２５との間の扉を開き、ガラス基板１５をチャンバ２２内に搬送する。その後、チャンバ２２とチャンバ２５との間の扉を閉じた後、チャンバ２２とチャンバ２１との間の扉を開いてガラス基板１５をチャンバ２１内に搬送し、チャンバ２２とチャンバ２１との間の扉を閉じ、チャンバ２１内を大気圧にして、ガラス基板１５をチャンバ２１から取り出す。これにより、ポリシリコン薄膜の製造工程が終了する。
【００５１】
なお、上記の例ではチャンバ２１，２２，２３，２５のいずれか１つのチャンバ内にのみガラス基板１５が配置されていることとしたが、これらのチャンバ２１，２２，２３，２５のうちの２以上のチャンバに同時にガラス基板が配置されていてもよい。例えば、第２の照射チャンバ２５で第２のレーザ照射を行っている間に、第１の照射チャンバ２２で他のガラス基板に第１のレーザ照射を行ってもよい。このようにして複数の基板を連続的に処理することにより、作業効率を向上させることができる。
【００５２】
また、ガラス基板１５を加熱しながらレーザ照射を行ってもよい。例えば、エキシマレーザアニールでは、パルス状のエネルギー照射が行われるため、照射が終わった後に急速に基板が冷却され、微結晶化が生じやすくなったり、結晶粒径が小さくなったりするなどの問題がある。そこで、ガラス基板１５が変形したりしない程度の歪点以下の温度、例えば２００〜４００℃にガラス基板１５を加熱して、レーザ光線の照射を行うことが好ましい。
【００５３】
（第３の実施の形態）
以下、本発明の第３の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態中では、第１の照射及び第２の照射を別々のチャンバで処理する例を示したが、これに限るわけではなく、同一チャンバ内で処理することも可能である。
【００５４】
図６は本実施の形態の結晶性半導体膜の製造方法において使用する結晶化装置の構成を示す模式図である。この結晶化装置は、エキシマレーザ３１、アッテネータ３２、光学系３３、半透過ミラー３４ａ、全反射ミラー３４ｂ及びステージ３６により構成されている。エキシマレーザ３１から出力されたレーザ光は、アッテネータ３２により所定のエネルギーに減衰され、光学系３３により所定の形状（この例では、細長い矩形状）に成形される。半透過ミラー３４ａはレーザ光の４０％を透過し、６０％を反射する。半透過ミラー３４ａで反射されたレーザ光はステージ３６の上に載置されたガラス基板３５の上のシリコン膜を照射する。また、半透過ミラー３４ａを透過した光は、全反射ミラー３４ｂで反射された後、ガラス基板３５の上のシリコン膜を照射する。
【００５５】
図６ではわかりやすくするために、半透過ミラー３４ａで反射された光による照射領域（以下、第１の照射域という）と全反射ミラー３４ｂで反射された光による照射域（以下、第２の照射域という）とが離れているが、実際には、第１の照射域と第２の照射域とが隣接するようにする。例えば、図７は横軸にガラス基板上の位置をとり、縦軸に照射エネルギーをとって、第１の照射域及び第２の照射域を示す図（レーザビームのプロファイル）である。本実施の形態では、この図７に示すように、半透過ミラー３４ａで反射された光による第１の照射域の幅は５００μｍ、全反射ミラー３４ｂで反射された光による第２の照射域の幅は３５０μｍであり、これらの照射域は相互に隣接しているものとする。
【００５６】
以下、上述の結晶化装置を使用した結晶性半導体膜の製造方法について説明する。
まず、ＣＶＤ法等により、ガラス基板３５の上にアモルファスシリコン膜を３５０Åの厚さに形成する。その後、ガラス基板３５をステージ３６の上に載置し、エキシマレーザ３１から波長が３０８ｎｍのレーザ光を出力させ、ガラス基板３５上のアモルファスシリコン膜をレーザ光照射する。この場合、第１の照射域のエネルギー（Ｅ１）が３００ｍＪ、第２の照射域のエネルギー（Ｅ２）が２７０ｍＪとなる。
【００５７】
１回のレーザ照射を終える毎に、レーザ光線の照射域をガラス基板３５に対し１０μｍづつ移動させる。従って、ガラス基板３５の一箇所に着目すると、半透過ミラー３４ａで反射されたレーザ光により５０回の照射を受け、その後、全反射ミラー３４ｂで反射されたレーザ光により３５回の照射を受ける。
本実施の形態においても、第１の照射（半透過ミラー３４ａにより反射された光のよる照射）により比較的大きな結晶を生成した後、第２の照射（全反射ミラー３４ｂにより反射された光による照射）により微結晶を溶融し、再結晶化するので、第１及び第２の実施の形態と同様に、平均粒径が約１μｍの大きなシリコン結晶からなるポリシリコン膜を得ることができる。
【００５８】
（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
本実施の形態の結晶化装置は、２つのエキシマレーザ３１ａ，３１ｂからそれぞれ出力されたレーザ光を用いて、第１の照射及び第２の照射を行う。すなわち、この結晶化装置は、２つのエキシマレーザ３１ａ，３１ｂ、２つのアッテネータ３２ａ，３２ｂ、２つの光学系３３ａ，３３ｂ、２つの全反射ミラー３７ａ，３７ｂ及び１つのステージ３６により構成されている。
【００５９】
レーザ３１ａから出力されたレーザ光は、アッテネータ３２ａで所定の光量に減衰され、光学系３３ａにより所定の形状に成形された後、全反射ミラー３７ａで反射されてガラス基板３５上のシリコン膜を照射する。同様に、レーザ３１ｂから出力されたレーザ光は、アッテネータ３２ｂで所定の光量に減衰され、光学系３３ｂにより所定の形状に形成された後、全反射ミラー３７ｂにより反射されてガラス基板３５上のシリコン膜を照射する。
【００６０】
この例ではレーザ３１ｂから出力された光は、幅が５００μｍの領域をＥμ又はＥφのエネルギーで照射する。また、レーザ３１ａから出力された光は、幅が３５０μｍの領域をＥμ又はＥφよりも３σだけ低いエネルギーで照射する。また、ガラス基板３５は、図中矢印で示す方向に移動する。従って、ガラス基板３５の上のシリコン膜は、まず、レーザ３１ｂから出力された光に照射され、その後レーザ３１ａから出力された光に照射される。
【００６１】
この例でも、第３の実施の形態に示した結晶化装置と同様の効果を得ることができる。
（第５の実施の形態）
図９は本発明の第５の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。本実施の形態の結晶化装置は、エキシマレーザ３１と、アッテネータ３２と、光学系３３と、半透過ミラー４１と、全反射ミラー４２，４３，４５と、光ディレイ装置４４と、ステージ３６とにより構成されている。光ディレイ装置４４は全反射ミラー４４ａ〜４４ｄにより構成されており、光路長が１５ｍに設定されている。これにより、光ディレイ装置４４では、光を５０nsecだけ遅延する。また、本実施の形態においては、ステージ３６がレーザ光を透過するように、高純度合成石英で構成されている。これにより、ステージ３６でのレーザ光の減衰は殆ど無視することができる。
【００６２】
エキシマレーザ３１から出力されたレーザ光はアッテネータ３２により所定の光量に減衰され、光学系３３により所定の形状に成形される。半透過ミラー４１はレーザ光の１／２を透過し、１／２を反射する。半透過ミラー４１を透過した光は、全反射ミラー４２で反射され、ステージ３６上に載置されたガラス基板３５の上のシリコン膜を照射する。
【００６３】
一方、半透過ミラー４１により反射された光は、全反射ミラー４３により反射され、光ディレイ装置４４に入る。そして、光ディレイ装置４４により約５０nsecだけ遅延されて出力される。光ディレイ装置４４から出力された光は、全反射ミラー４５により反射され、ステージ３６及びガラス基板３５を透過して、ガラス基板３５の上のシリコン膜を照射する。
【００６４】
本実施の形態においては、全反射ミラー４２により反射されてガラス基板３５上のシリコン膜を照射するレーザ光のエネルギーが、Ｅμ又はＥφとなるように設定されている。また、ガラス基板３５の下側からシリコン膜を照射するレーザ光は、光ディレイ装置４４により５０nsecだけ遅延され、ガラス基板３５により光量が減衰されてシリコン膜に到達する。例えば、ガラス基板３５としてＨＡＹＡ製ＮＡ３５（厚さ０．７ｍｍ）を使用した場合、波長が３０８ｎｍの光に対する透過率が８０％であるので、ガラス基板３５による光の減衰だけで第２の照射時の光エネルギーを適正なエネルギーとすることができる。本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様の効果を奏する。
【００６５】
なお、半透過ミラー４１を使用する代わりに、全反射ミラーと、当該ミラーを一定の周期で光路内に抜き差しする装置とを用いてもよい。この場合、光ディレイ装置４４が不要になり、装置を小型化することができる。
（第６の実施の形態）
以下、本発明の第６の実施の形態について説明する。
【００６６】
本願発明者らの実験では、レーザ光の照射を行う前の膜自体に含まれる不純物も結晶粒径に強く影響することが判明している。そこで、本実施の形態では、これらの不純物と結晶粒径との関係について説明する。また、アモルファスシリコン膜の成膜時の条件と結晶化度との関係及び自然酸化膜の影響についても説明する。
【００６７】
（１）酸素、窒素及び炭素の含有量
まず、アモルファスシリコン膜中の酸素、窒素及び炭素と結晶粒径との関係について説明する。これらの不純物は、少ないほうが好ましいことは当然であるが、本発明では結晶化工程（第１の照射工程）に加えて光照射によるアニール工程（第２の照射工程）を実施するため、不純物の影響をより受けやすい。
【００６８】
まず、シランガスと水素ガスとを原料とし、この原料中に不純物として酸素ガスを添加して、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を形成した。この場合、酸素ガスの添加量を変化させて、複数のガラス基板の上にそれぞれ酸素含有量が相互に異なるシリコン膜を形成した。そして、これらのシリコン膜に対し、第１の実施の形態で示すようにして、第１の照射工程及び第２の照射工程を行ってポリシリコン膜を形成し、シリコンの結晶粒径を測定した。
【００６９】
その結果、アモルファスシリコン膜中の酸素濃度が１０20atoms ／ｃｍ3 を超えると、結晶粒径が酸素ガスを添加しないときの１／２以下になることが判明した。このことから、アモルファスシリコン膜中の酸素濃度は、１０20atoms ／ｃｍ3 以下とすることが好ましい。
次に、シランガスと水素ガスとを原料とし、この原料中に不純物としてアンモニアガスを添加して、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を形成した。この場合も、アンモニアガスの添加量を変化させて、複数のガラス基板の上にそれぞれ窒素含有量が相互に異なるシリコン膜を形成した。そして、これらのシリコン膜に対し、第１の実施の形態で示すようにして、第１の照射工程及び第２の照射工程を行ってポリシリコン膜を形成し、シリコンの結晶粒径を測定した。
【００７０】
その結果、アモルファスシリコン膜中の窒素濃度が１０18atoms ／ｃｍ3 を超えると、結晶粒径がアンモニアガスを添加しないときの１／２以下になることが判明した。このことから、アモルファスシリコン膜中の窒素濃度は、１０18atoms ／ｃｍ3 以下とすることが好ましい。
次に、シランガスと水素ガスとを原料とし、この原料中に不純物としてメタンガスを添加して、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を形成した。この場合も、メタンガスの添加量を変化させて、複数のガラス基板の上にそれぞれ炭素含有量が相互に異なるシリコン膜を形成した。そして、これらのシリコン膜に対し、第１の実施の形態で示すようにして、第１の照射工程及び第２の照射工程を行ってポリシリコン膜を形成し、ポリシリコン粒径を測定した。
【００７１】
その結果、アモルファスシリコン膜中の炭素濃度が１０19atoms ／ｃｍ3 を超えると、結晶粒径がアンモニアガスを添加しないときの１／２以下になることが判明した。このことから、アモルファスシリコン膜中の炭素濃度は、１０19atoms ／ｃｍ3 以下とすることが好ましい。
これらの不純物を上記の値以下に規制するためには、成膜時に使用する原料に高純度のものを使用したり、ＣＶＤ装置の内部を清掃するなどの対策を施すことが重要である。
【００７２】
（２）水素の含有量
レーザ照射による結晶化では、水素の影響も強く受ける。これは、レーザ照射により、膜中に含まれている水素が急速に脱離して、いわゆるアブレーション（Ablation）を起こすためである。
まず、シランガスと水素ガスとを原料とするプラズマＣＶＤ法により、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を形成した。そして、このアモルファスシリコン膜を有するガラス基板を、電気炉を用いて、温度が５５０℃、圧力が１気圧（atm ）の窒素雰囲気中で３時間熱処理した。その後、第１の実施の形態で示したように第１の照射工程及び第２の照射工程を行ってポリシリコン膜を形成した。その結果、アブレーションによるシリコン膜の不良は認められなかった。従って、レーザ照射工程の前に、熱処理を施すことが好ましい。
【００７３】
また、第１の照射工程の前に、高真空中において結晶化のしきい値Ｅｃよりも低いエネルギーでレーザを照射してもよい。このレーザ光の照射により膜が加熱され、アモルファスシリコン膜中のガスを真空中に放出することができる。
例えば、本願発明者らの実験では、プラズマＣＶＤ法により形成した厚さが３５０Åのアモルファスシリコン膜の場合、結晶化のしきい値Ｅｃは約２００ｍＪであった。このアモルファスシリコン膜に対し１９０ｍＪのエネルギーのレーザ光を照射したところ、アモルファスシリコン膜中の水素濃度が１０21atoms ／ｃｍ3 以下となった。
【００７４】
（３）アモルファスシリコン膜の形成条件
シラン系ガスを原料とするＣＶＤ法では、膜中に取り込まれた水素の状態により膜の密度や結合状態が変化し、水素の脱離の容易さに影響するだけでなく、結晶化後の結晶化度にまで影響を及ぼす。具体的には、赤外吸収スペクトルで２１００ｃｍ-1に現れる、Ｓｉ＝Ｈ2 や、Ｓｉ≡Ｈ3 （膜中に遊離した水素分子という説もある）に割り付けられる結合が多くみられる膜のほうが、結晶化度が１０〜２０％程度高くなる。
【００７５】
アモルファスシリコンＴＦＴを形成するための条件を用いて、シランガス及び水素ガスを原料とするプラズマＣＶＤ法を適用すると、通常、これらの結合が発生し、その結果ＴＦＴ特性が劣化する。
ところが、本願発明者らの実験により、アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を形成する場合は、これらの結合が強くなるほど結晶化度は向上し、ＴＦＴの示す特性も改善されることが判明した。より具体的には、成膜時の温度を２３０℃〜室温で行うことで、これらの結合が強い膜を得ることが可能となる。
【００７６】
（４）自然酸化膜
本願発明者らの実験では、微結晶化や結晶粒径を決める要因として、レーザ光の照射を行う前のアモルファス膜の表面に形成された自然酸化膜も強く影響することが判明している。
アモルファスシリコン膜の表面に自然酸化膜があると、レーザ照射によって溶解したシリコンの溶液中に酸化膜が溶解し、自然酸化膜中に含まれていた酸素や炭素等の汚染物質が溶液中に含まれれてしまう。これらの汚染物質は、溶液が凝固する際に結晶粒界に析出して、シリコン膜の電気的な特性を劣化させるだけでなく、異常な結晶成長核の発生の原因となる。レーザ照射前のアモルファスシリコン膜の表面に存在する自然酸化膜を除去することで、これらの障害を排除することができる。
【００７７】
自然酸化膜の除去には、通常、フッ化水素酸水溶液を成分として含むエッチャントにより、酸化膜を除去する手法が知られている。しかし、低温ポリシリコン技術で利用されることの多い低融点ガラス基板では、ガラス基板自体にアルミニウム、バリウム及びナトリウム等の各種軽元素不純物が含まれるため、エッチング中にエッチャントに溶解したこれらの不純物が吸着し、その後の結晶化の際に異常な核生成によって、得られる結晶粒が小さくなったり、微結晶化を生じることもある。
【００７８】
従って、更に好適な処理を行うには、水溶液による自然酸化膜のエッチング（ウェットエッチング）ではなく、水溶液を使用しないエッチング（ドライエッチング）が好ましい。例えば、減圧したチャンバ内にフッ化水素ガスを導入し、気相反応によりシリコン表面の自然酸化膜を除去した後、結晶化処理を行ったところ、基板に含有される不純物の汚染に影響されることなく、良好な結晶化を行うことが可能であった。
【００７９】
（第７の実施の形態）
図１０は本発明の第７の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。なお、図１０において、図４と同一物には同一符号を付している。
この結晶化装置は、エキシマレーザ１１と、アッテネータ１２と、光学系１３と、反射ミラー１４と、ステージ１６と、光源５１と、半透過ミラー５２と、フォトダイオード５３と、制御装置５４とにより構成されている。
【００８０】
エキシマレーザ１１から出力されたレーザ光はアッテネータ１２で所定の光量に減衰される。そして、光学系１３で所定のビーム形状に成形された後、反射ミラーにより反射されてガラス基板１５上のシリコン膜を照射する。
一方、制御装置５４により制御された光源５１から放出された光が、半透過ミラー５２を介してガラス基板１５上のシリコン膜に照射され、シリコン膜から反射された光が半透過ミラー５２により反射されて、フォトダイオード５３に入射する。制御装置５４は、フォトダイオード５３の出力を基に、シリコン膜の結晶性を評価する。また、制御装置５４は、シリコン膜の結晶性の評価の結果に応じてエキシマレーザ１１を制御し、第２の照射工程でレーザ光を照射する位置を制御する。
【００８１】
以下、上記の結晶化装置を使用したポリシリコン薄膜の製造方法について説明する。
第１の照射工程では、第１の実施の形態と同様に、レーザ光をガラス基板１５上のアモルファスシリコン膜に照射しながらがら、ガラス基板１５を載置したステージ１６を一方向に移動させる。
【００８２】
その後、第２の照射工程において、図１０に示すように光源５１から出力された光をガラス基板上のシリコン膜に照射する。制御部５４は、シリコン膜からの反射光を受光したフォトダイオード５３の出力に基づいて、シリコン膜の結晶性を評価する。
例えば、シリコン膜の場合、直接遷移による反射率のピーク波長は、３８０ｎｍ及び２８０ｎｍの付近にある。また、この波長の光の反射率は、シリコン膜の結晶性に強く依存する。従って、これらの波長の光強度によって結晶性を評価することができる。特に、波長が３５０ｎｍ以下の光では、シリコン膜の吸収係数が大きいため、厚さの影響（光の干渉による影響）を受けにくいという性質があり、結晶性の評価には好適である。
【００８３】
光源５１としては、これらの波長を含む光を放出するものであることが好ましく、例えば、重水素ランプ（Deuterium lamp）、ＬＥＤ（light-emitting diode）又はレーザ装置等を使用することができる。
制御装置５４は、フォトダイオード５３の出力がある一定の値よりも低くなると結晶性が悪いと判定し、その位置を記憶する。一方、制御装置５４は、エキシマレーザ１１から出力されたレーザ光の照射位置を監視しており、レーザ光の照射位置が結晶性が悪い領域に移動すると、エキシマレーザ１１を駆動してシリコン膜にレーザを照射する。このときのレーザ光のエネルギーは、第１の照射工程のレーザ光のエネルギーＥ１よりも３σだけ低いエネルギーとする。
【００８４】
本実施の形態では、結晶性が悪い領域にのみ第２の照射を行うので、第１の実施の形態に比べて、処理時間を短縮できるという利点がある。
なお、上述の実施の形態では、反射率でピークを示す波長を利用したが、ピークの影響を受けない波長の光を利用することも可能である。これは、結晶粒径の増加に伴ってシリコン膜表面の凹凸が相対的に増加するために、レーリー散乱（Rayleigh scattering ）が大きくなることを利用する。典型的な波長域としては、３３０ｎｍ及び２３０ｎｍが使用可能である。使用方法としては、上記の実施の形態と同様であり、レーザ光のエネルギーが過剰又は不足の場合、得られる結晶粒径が小さいため、信号強度は大きくなり、逆に粒径の増大とともに信号強度は減衰する。このような原理を利用して、シリコン膜の結晶性を評価することができる。
【００８５】
更に、上記の２つの評価方法（直接遷移による結晶性の評価及びレーリー散乱による結晶粒径の評価）を組み合わせ、結晶性の良否をより高精度で評価し、その結果に応じて第２の照射を行う領域を決定してもよい。
また、これらの方法は反射光の強度により結晶性を評価するので装置が比較的簡単であるが、分光エリプソメトリ（specroscpic ellipspmetry）を利用した高精度な測定や、原子間力顕微鏡（atomic force microscope ：ＡＦＭ）による表面形状及び粒径の直接評価等を利用してもよい。
【００８６】
（第８の実施の形態）
図１１は本発明の第８の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。図１１において、図４と同一物には同一符号を付している。
この結晶化装置は、エキシマレーザ１１と、アッテネータ１２と、光学系１３と、半透過ミラー５５と、ステージ１６と、ＰＩＮダイオードからなる紫外線検出器５６と、制御装置５７とにより構成されている。エキシマレーザ１１から出力されたレーザ光は、アッテネータ１２で所定の光量に減衰され、光学系１３により所定のビーム形状に成形されて半透過ミラー５５に到達する。半透過ミラー５５は、到達した光の約１％を透過し、残りを反射する。半透過ミラー５５で反射されたレーザ光は、ガラス基板１５の上のシリコン膜を照射する。
【００８７】
一方、半透過ミラー５５を透過した光は検出器５６により検出され、検出器５６から光量に応じた信号が出力される。制御装置５７は、第１の照射工程において、検出器５６の出力によりレーザ光の出力変動を監視し、レーザ光のエネルギーが適正か否かを判定する。そして、レーザ光のエネルギーが適正でないと判定したとき、例えばレーザ光のエネルギーが過剰であると判定したときは、そのときのレーザ光の照射位置を記憶する。
【００８８】
その後、第２の照射工程において、制御装置５７はエキシマレーザ１１を制御し、第１の照射工程で適正な照射が行われなかった領域に対してのみ、レーザ光を照射する。このときのレーザ光のエネルギーは、第１の照射工程におけるレーザ光のエネルギーＥ１よりも３σだけ低いエネルギーとする。
本実施の形態においても、第７の実施の形態と同様に、結晶性が悪いと考えられる領域にのみ第２の照射工程を実施するので、第１の実施の形態に比べて処理時間を短縮できるという利点がある。
【００８９】
なお、本実施の形態では、１つのＰＩＮダイオード検出器５６により光強度を検知する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）又はダイオードアレイを用いることで、レーザビームの空間的な強度分布（２次元分布）を記録し、その結果に基づいてエキシマレーザ１１を制御するようにしてもよい。
【００９０】
（第９の実施の形態）
以下、本発明の第９の実施の形態の結晶性半導体膜の製造方法について説明する。
低温ポリシリコンＴＦＴ等で利用されているエキシマレーザは、比較的大きな出力と相対的に良好な出力安定性を有する。しかしながら、現状のエキシマレーザは、液晶ディスプレイで使用されるような大型基板（例えば、４００×５００ｍｍ、５５０×６５０ｍｍなど）を１回の照射で処理できるものではない。
【００９１】
このため、通常、エキシマレーザから出力されたビームを細長い矩形（線状）に成形し、この矩形のビームを走査することで基板全面を処理している。この場合も、大型の基板では基板の短辺側全体を一括処理できるような出力を得ることはできない。
図１２（ａ）は、大型の基板を用いた場合のポリシリコン薄膜の形成方法を示す平面図、図１２（ｂ）は従来技術におけるレーザビームのプロファイルを示す図、図１２（ｃ）は本実施の形態におけるレーザビームのプロファイルを示す図である。なお、図１２（ｂ），（ｃ）において、実線は基板１５の左側の領域を照射するときのレーザビームのプロファイル、破線は基板１５の右側の領域を照射するときのレーザビームのプロファイルを示している。また、図１２（ｂ），（ｃ）において、横軸は基板内の位置を示し、縦軸はレーザビームの強度を示している。更に、図１３（ａ）は本実施の形態における第１の照射工程時のレーザビームのプロファイル（図１２（ｃ）と同じ）、図１３（ｂ）は第２の照射工程時のレーザビームのプロファイルを示す図である。
【００９２】
アモルファスシリコン膜が形成された大型の基板１５をレーザ照射する場合、図１２（ａ）に示すように、例えば細長い矩形のレーザビームにより基板１５の左側半分の領域を照射し、その後基板１５の右側半分の領域を照射する。この場合、レーザビームの両端部分では、ビーム強度が低下するので、従来は図１２（ｂ）に示すように、基板１５の中央部分（図１２（ａ）に符号Ａで示す部分）ではレーザビームの強度が弱く、結晶化が生じない領域が発生する。基板１５の左側半分の領域を照射するときと右側半分の領域を照射するときとでビームの照射領域が重なるようにすることも考えられるが、そうすると基板１５の中央部分Ａではレーザ光のエネルギーが大きくなって、アブレーションや多量の微結晶が発生する。このため、従来は、大型の液晶表示装置の製造に低温ポリシリコンプロセスを適用することはできなかった。
【００９３】
一方、本実施の形態においては、図１２（ｃ）に示すように、基板１５の左側の領域をレーザ照射するときの照射領域と、右側の領域のレーザ照射するときの照射領域とをオーバーラップさせ、その２つの照射領域のレーザビームのプロファイルの交差する部分のエネルギーＥ＊を、第２の照射工程におけるレーザ光のエネルギーＥ２より低い値とする。例えば、第２の照射工程では第１の照射工程におけるエネルギーＥ１よりも３σだけ低いエネルギーのレーザ光を照射するものとすると、２つの照射領域のレーザビームのプロファイルの交差する部分のエネルギーＥ＊は、Ｅ１−３σよりも低くなるようにする。
【００９４】
その後、エネルギーＥ２を有し、図１３（ｂ）に示すようなプロファイルを有するレーザビームにより、基板１５の中央の領域Ａをレーザ照射する。これにより、基板１５の中央の領域Ａの結晶粒径を大きくすることができて、大型の液晶表示装置の製造が可能になる。
なお、本実施の形態においては、１枚のガラス基板を２つの領域（左側の領域及び右側の領域）に分割してレーザ照射を行う場合について説明したが、より多くの領域に分割してレーザ照射を行ってもよい。
【００９５】
また、図１３（ａ），（ｂ）に示すプロファイルのレーザビームに代えて、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、第２の照射工程では基板１５の短辺の長さにほぼ等しい長さのレーザビームを使用して、第２の照射工程を行ってもよい。第２の照射工程では、第１の照射工程に比べてレーザ光のエネルギーが低くてもよく、また微結晶化のしきい値Ｅμとの差が大きいので出力変動が許容できる。このため、基板の短辺の長さにほぼ等しい形状のレーザビームを使用することが可能である。
【００９６】
更に、図１５に示すように、第１の照射工程ではレーザ光のエネルギーをＥ１とし、基板１５の右側を照射するときの照射域と左側を照射するときの照射域とが重なるように行い、第２の照射工程ではレーザ光のエネルギーをＥ２とし、レーザ光を第１の照射における走査方向と垂直な方向に走査してもよい。この場合は、領域Ａ及びその近傍に微結晶が発生するが、第２の照射により微結晶を溶融して結晶化させることができる。
【００９７】
（第１０の実施の形態）
図１６〜図２０は本発明の第１０の実施の形態に係る液晶表示装置の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、これらの図においては液晶表示装置の画素スイッチとなる薄膜トランジスタの製造工程を示している。
まず、図１６（ａ）に示すように、ガラス基板（コーニング社製：１７３７）６１の上に、シランガスと笑気ガスとを原料とするプラズマＣＶＤ法により、シリコン酸化物からなる厚さが２０００Åのバリア層６２を形成した。なお、バリア層６２は、ガラス基板６１に含まれる各種不純物を防止するために形成する。バリア層６２は、シリコン窒化物により形成してもよい。
【００９８】
次に、シランガスと水素ガスとを原料とするプラズマＣＶＤ法により、バリア層６２の上に、厚さが４００Åのアモルファスシリコン膜６３を形成した。その後、電気炉を使用し、１気圧の窒素ガス雰囲気中で５５０℃の温度で３時間加熱して、アモルファスシリコン膜６３中に含まれる水素を脱離させた。
次に、図１６（ｂ）に示すように、ラムダフィジック製エキシマレーザアニール装置Ｌ４３０８Ａ（発振波長３０８ｎｍ、発振周波数３００Ｈｚ）を用いて、第１の実施の形態に示す方法によりアモルファスシリコン膜６３に第１のレーザ照射及び第２のレーザ照射を行い、アモルファスシリコン膜６３をポリシリコン膜６４に変えた。この場合、第１の照射工程におけるレーザ光のエネルギーＥ１は３３０ｍＪ、第２の照射工程におけるレーザ光のエネルギーＥ２は３００ｍＪとした。これにより、微結晶を含まないポリシリコン膜６４を得た。
【００９９】
次に、図１６（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術によりポリシリコン膜６４のＴＦＴ形成領域上に所定のパターンのレジスト（図示せず）を形成し、４フッ化炭素をエッチャントとするリアクティブイオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）によりポリシリコン膜６４パターニングした。その後、レジスト膜を除去した。
【０１００】
次に、図１７（ａ）に示すように、シランガスと笑気ガスとを原料とするプラズマＣＶＤ法により、基板６１の上側全面に、酸化シリコンからなる厚さが１２００Åのゲート絶縁膜６５を形成した。
次に、図１７（ｂ）に示すように、アルミニウムをターゲットとするＤＣ（direct current）スパッタ法により、ゲート電極となるアルミニウム膜６６を３０００Åの厚さに形成した。
【０１０１】
その後、図１７（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてアルミニウム膜６６をパターニングし、ゲート電極６７を形成した。
次に、ガラス基板６１の上側全面にフォトレジストを塗布し、露光及び現像工程を経て、図１８（ａ）に示すように、ゲート電極６７を覆うレジスト膜を形成した。そして、図１８（ｂ）に示すように、レジスト膜６８をマスクとし、ＲＩＥ法によりゲート酸化膜６５をエッチングして、所定の形状とした。
【０１０２】
次に、図１８（ｃ）に示すように、レジスト膜６８をマスクとし、ポリシリコン膜６４にＰ（リン）を高濃度にイオン注入して、ソース・ドレイン領域６９を形成した。
次に、レジスト膜６８を除去した後、図１９（ａ）に示すように、ゲート酸化膜６５を介してポリシリコン膜６４に不純物を低濃度に導入し、ゲート電極６７とソース・ドレインとの間のオフセット領域をＬＤＤ（Lightly Dopes Drain)領域７０とした。
【０１０３】
次に、基板６１を電気炉内に入れ、１気圧の窒素雰囲気中で、３８０℃の温度で３時間熱処理した。その後、エキシマレーザアニール装置を使用し、２５０ｍＪのエネルギーのレーザ光を照射して、ソース・ドレイン領域６９及びＬＤＤ領域７０にドーピングされた不純物の活性化処理を行った。
次に、図１９（ｂ）に示すように、アンモニアガス、水素ガス及びシランガスを原料とするプラズマＣＶＤ法により、基板６１の上側全面に窒化シリコンを堆積させて、層間絶縁膜７１とした。
【０１０４】
そして、フォトリソグラフィ法を使用し、層間絶縁膜７１を選択的にエッチングして、図１９（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン６９に到達するコンタクトホール７２ａ及びゲート電極６７に到達するコンタクトホール７２ｂを形成した。
次に、ＤＣスパッタ法により、基板６１の上側全面にＴｉ（チタン）を３０００Åの厚さに堆積してＴｉ膜を形成した。その後、フォトリソグラフィ法を使用してＴｉ膜を所定の形状にパターニングし、図２０（ａ）に示すように、ソース・ドレイン領域６９に電気的に接続された電極７３を形成した。
【０１０５】
次いで、反応性ＤＣスパッタ法により、基板６１の上側全面にＩＴＯ（indium-tin oxide：インジウム酸化スズ）膜を１０００Åの厚さに形成した。その後、フォトリソグラフィ法を使用し、ＩＴＯ膜をパターニングして、図２０（ｂ）に示すように画素電極７４を形成した。
その後、基板６１を再び３５０℃の温度で４時間熱処理した。これは、ポリシリコン膜６４とゲート絶縁膜６５との界面に含まれる欠陥を、層間絶縁膜７１に含まれる水素を利用して終端させ、電気的特性を確保するためである。
【０１０６】
このようにして形成したＴＦＴの特性を調べたところ、キャリアの移動度が１００ｃｍ2 ／Ｖｓ、オンーオフ比が１０9 以上であった。このことから、上記の方法により製造したＴＦＴは、液晶表示装置の画素スイッチとしてだけでなく、ドライバ回路を構成するにも十分なスイッチング特性を有することが確認された。
【０１０７】
なお、上述した各実施の形態においてはいずれもシリコンからなる結晶性半導体膜の製造方法について説明したが、これにより本発明の適用範囲がポリシリコン膜の製造のみに限定されるものではなく、他の単体半導体であるＧｅ（ゲルマニウム）や、光線照射により結晶性を促進する効果を期待しうる化合物半導体などに適用することが可能である。
【０１０８】
また、上述した各実施の形態ではいずれも光源としてエキシマレーザを使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、Ｆ2 レーザ等の厳密にはエキシマレーザではないガスレーザや、高次高調波を利用したＹＡＧレーザ、又は非線形工学素子を利用したレーザ等を利用してもよい。
（付記）
（１）請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程及び前記第２の照射工程のうちの少なくとも一方の工程を、不活性ガス雰囲気中にて行うことが好ましい。
【０１０９】
（２）請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第２の照射工程を、真空中にて行うことが好ましい。
（３）請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程及び前記第２の照射工程のうちの少なくとも一方の工程において前記基板を加熱することが好ましい。
【０１１０】
（４）請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記半導体膜は、シリコンからなることが好ましい。
（５）（４）に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程を実施する前の前記シリコン膜は、酸素濃度を１０20atoms ／ｃｍ3 以下としたものであることが好ましい。
【０１１１】
（６）（４）に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程を実施する前の前記シリコン膜は、窒素濃度を１０18atoms ／ｃｍ3 以下としたものであることが好ましい。
（７）（４）に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程を実施する前の前記シリコン膜は、炭素濃度を１０19atoms ／ｃｍ3 以下としたものであることが好ましい。
【０１１２】
（８）（４）に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程を実施する前の前記シリコン膜は、水素濃度を１０21atoms ／ｃｍ3 以下としたものであるが好ましい。
（９）（４）に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程及び前記第２の照射工程のうちの少なくとも一方の工程の前に、前記シリコン膜の表面の自然酸化膜をドライエッチングにより除去する工程を有することが好ましい。
【０１１３】
（１０）請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程の前に、前記半導体膜を有する基板を熱処理して前記半導体膜中の水素濃度を低減する工程を有することが好ましい。
（１１）請求項１に記載の結晶性半導体膜の製造方法において、前記第１の照射工程を実施する前の前記半導体膜は水素化アモルファスシリコンからなり、当該半導体膜の赤外線吸収スペクトルが２１００ｃｍ-1に吸収ピークを有するものであることが好ましい。
【０１１４】
（１２）結晶性半導体膜の製造方法において、
基板上に形成された半導体膜に、第１のエネルギーＥ１の矩形又は線状のレーザビームを照射し、前記基板を移動させて前記半導体膜の第１の領域をレーザ照射する第１の照射走査工程と、
前記第１のエネルギーＥ１の矩形又は線状のレーザビームを使用し、当該レーザビームの照射領域の端部が前記第１の照射走査工程でレーザ照射された領域の端部に重なるように前記基板をレーザビーム照射域に対し相対的に移動させて前記半導体膜の第２の領域をレーザ照射する第２の照射走査工程と、
前記１の照射工程及び前記第２の照射工程の両方の工程でいずれもレーザ照射された前記第１の領域と前記第２の領域との境界部分を、前記第１のエネルギーよりも低い第２のエネルギーＥ２のレーザビームで照射する工程と
を有していてもよい。
【０１１５】
（１３）結晶性半導体膜の製造方法において、
基板上に形成された半導体膜に、第１のエネルギーＥ１の矩形又は線状のレーザビームを照射し、前記基板を移動させて前記半導体膜の第１の領域をレーザ照射する第１の照射走査工程と、
前記第１のエネルギーＥ１の矩形又は線状のレーザビームを使用し、当該レーザビームの照射領域の端部が前記第１の照射走査工程でレーザ照射された領域の端部に重なるように前記基板をレーザビーム照射域に対し相対的に移動させて前記半導体膜の第２の領域をレーザ照射する第２の照射走査工程と、
前記基板上の前記半導体膜の全体を、前記第１のエネルギーＥ１よりも低い第２のエネルギーＥ２のレーザビームで照射する工程と
を有していてもよい。
【０１１６】
（１４）請求項７に記載の結晶化装置において、前記第１の光照射手段は、光源と、前記光源から出射された光の一部を透過し、残部を反射する半透過ミラーとを有し、前記第２の光照射手段は、前記半透過ミラーを透過した光の光路を変更する光路変更手段を有することが好ましい。
（１５）請求項７に記載の結晶化装置において、前記第１の光照射手段は、第１の光源と、前記第１の光源から出射された光の光路を変更する第１光路変更手段とを有し、前記第２の光照射手段は、第２の光源と、前記第２の光源から出射された光の光路を変更する第２の光路変更手段とを有することが好ましい。
【０１１７】
（１６）請求項７に記載の結晶化装置において、前記第１の光照射手段は、光源と、前記光源から出射された光の一部を透過し、残部を反射する半透過ミラーと、前記半透過ミラーを透過した光の光路を変更する第１の光路変更手段とを有し、前記第２の光照射手段は、前記半透過ミラーにより反射された光を遅延する光遅延装置と、前記光遅延装置により遅延された光の光路を変更する第２の光路変更手段とを有することが好ましい。
【０１１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板上に形成された半導体膜に対し、第１の照射工程で第１のエネルギーＥ１の光を照射して粒径の大きい結晶を形成し、その後第２の照射工程で第１のエネルギーＥ１よりも低い第２のエネルギーＥ２の光を照射して、微結晶を溶融し再結晶化するので、比較的大きい結晶からなる結晶性半導体膜を製造することができる。これにより、液晶表示装置等に使用されるＴＦＴ等の薄膜素子の性能が向上するとともに、歩留まりが向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はエキシマレーザのエネルギーと、レーザ照射により得られたポリシリコンの結晶粒径及び微結晶領域体積比との関係を示す図である。
【図２】図２はＴＦＴの特性を示す図である。
【図３】図３は本発明によるエキシマレーザのエネルギーと結晶粒径及び微結晶領域体積比との関係を示す図である。
【図４】図４は本発明の第１の実施の形態において使用する結晶化装置を示す模式図である。
【図５】図５は本発明の第２の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
【図６】図６は本発明の第３の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
【図７】図７は第３の実施の形態におけるレーザビームのプロファイルを示す図である。
【図８】図８は本発明の第４の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
【図９】図９は本発明の第５の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の第７の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
【図１１】図１１は本発明の第８の実施の形態の結晶化装置を示す模式図である。
【図１２】図１２は本発明の第９の実施の形態の結晶性半導体膜の製造方法を示す図である。
【図１３】図１３は第９の実施の形態におけるレーザビームのプロファイルを示す図である。
【図１４】図１４は、第９の実施の形態の変形例におけるレーザビームのプロファイルを示す図である。
【図１５】図１５は、第９の実施の形態の他の変形例におけるレーザビームのプロファイルを示す図である。
【図１６】図１６は本発明の第１０の実施の形態に係る液晶表示装置の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図１７】図１７は本発明の第１０の実施の形態に係る液晶表示装置の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図１８】図１８は本発明の第１０の実施の形態に係る液晶表示装置の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図１９】図１９は本発明の第１０の実施の形態に係る液晶表示装置の製造方法を示す断面図（その４）である。
【図２０】図２０は本発明の第１０の実施の形態に係る液晶表示装置の製造方法を示す断面図（その５）である。
【符号の説明】
１１，３１，３１ａ，３１ｂ  エキシマレーザ、
１２，２４ｂ，２６ｂ，３２，３２ａ，３２ｂ  アッテネータ、
１３，２４ｃ，２６ｃ，３３３３ａ，３３ｂ  光学系、
１４，３４ｂ，３７ａ，３７ｂ，４２，４３，４５  反射ミラー、
１５，３５，６１  ガラス基板、
１６，３６  ステージ、
２１，２２，２３，２５  チャンバ、
２２ａ  搬送ロボット、
２４ａ，２６ａ  レーザ光源、
３４ａ，４１，５２  半透過ミラー
４４  光ディレイ装置、
５１  光源、
５３  フォトダイオード、
５５，５７  制御装置、
５６  検出器、
６２  アモルファスシリコン膜、
６３  シリコン膜（ポリシリコン膜）
６５  ゲート酸化膜、
６７  ゲート電極、
６９  ソース・ドレイン領域、
７１  層間絶縁膜、
７４  画素電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004472066.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0004472066.tif 000018
【図１５】
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【図１６】
0004472066.tif 000020
【図１７】
0004472066.tif 000021
【図１８】
0004472066.tif 000022
【図１９】
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【図２０】
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