(57)【要約】 【課題】  縦方向に配置されるＴＦＴ素子の特性と横方向に設置されるＴＦＴ素子の特性とを同一にし、安定した特性のＴＦＴデバイスを形成することができるように、半導体膜に結晶成長させることのできるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  レーザ加工装置３０は、光源３２から出射されるレーザ光４５を、レーザビーム投影マスク３５を通して、ステージ３８上に載置される半導体素子３１に照射することによって、半導体素子３１のシリコン膜を溶融し、凝固させて結晶成長させる。レーザビーム投影マスク３５には、ステージ３８による半導体素子３１に移動方向に対して４５度傾斜した方向に延びる光透過部分が形成されるので、シリコン膜の結晶成長方向も、半導体素子３１の移動方向に対して４５度傾斜した方向またはその方向に対して垂直な方向に揃えられる。【選択図】      図１
2007123445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を透過させる透過部分とレーザ光を透過させない非透過部分とを有し、透過部分を透過したレーザ光を照射対象物に照射させて照射対象物を結晶化させることに用いられるレーザビーム投影マスクであって、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第１光透過パターンを有し、該第１光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第１領域と、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第２光透過パターンであって、第１領域の第１光透過パターンと同一の仮想線上で重ねるとき、第１光透過パターンによって照射することができない照射対象物の領域を、照射することができるように形成される第２光透過パターンを有し、該第２光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第２領域と、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第３光透過パターンであって、第１および第２光透過パターンによって照射することができない照射対象物の領域を、照射することができるように形成される第３光透過パターンを有し、該第３光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第３領域と、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第４光透過パターンであって、第３領域の第３光透過パターンと同一の仮想線上で重ねるとき、第３光透過パターンによって照射することができない照射対象物の領域を、照射することができるように形成される第４光透過パターンを有し、該第４光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第４領域とを含むことを特徴とするレーザビーム投影マスク。
【請求項２】
第１光透過パターンに対して直交する方向に第１光透過パターンと同一形状に形成される第５光透過パターンを有し、該第５光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第５領域と、
第２光透過パターンに対して直交する方向に第２光透過パターンと同一形状に形成される第６光透過パターンを有し、該第６光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して複数形成される第６領域と、
第３光透過パターンに対して直交する方向に第３光透過パターンと同一形状に形成される第７光透過パターンを有し、該第７光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して複数形成される第７領域と、
第４光透過パターンに対して直交する方向に第４光透過パターンと同一形状に形成される第８光透過パターンを有し、該第８光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して複数形成される第８領域とを、さらに含むことを特徴とする請求項１記載のレーザビーム投影マスク。
【請求項３】
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の単位照射領域が、
照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線方向に細長く延びる略６角形状を有することを特徴とする請求項１または２記載のレーザビーム投影マスク。
【請求項４】
照射対象物である被処理基板を構成する非晶質材料層または被処理基板上に形成される非晶質材料層に、前記請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザビーム投影マスクを介してレーザ光を投影して照射し、非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工方法であって、
レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を、非晶質材料層の表面に画されるＡ領域内に照射してＡ領域内の非晶質材料を溶融し、凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、
照射対象物を予め定める方向に予め定める距離移動させ、移動前のＡ領域と部分的に重畳するように非晶質材料層の表面に画されるＢ領域を定める領域移動工程と、
レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を、非晶質材料層の表面に画されるＢ領域内に照射してＢ領域内の非晶質材料を溶融し、凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを含み、
非晶質材料の結晶化される領域が、予め定める大きさに達するまで、第１の結晶化工程と、領域移動工程と、第２の結晶化工程とを、レーザビーム投影マスクが有する領域の数に応じて繰返し実行することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
第１の結晶化工程および第２の結晶化工程において、
照射対象物に対して、レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を照射することに加え、レーザビーム投影マスクを介することなくもう１つのレーザ光を照射することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
照射対象物である被処理基板を構成する非晶質材料層または被処理基板上に形成される非晶質材料層に、レーザ光を照射して非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
前記請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザビーム投影マスクと、
照射対象物を載置し、照射対象物を少なくとも１次元方向に移動可能なステージと、
レーザビーム投影マスクと照射対象物との相対位置を変化させてレーザ光による照射対象物表面の照射領域を定めるステージの移動動作および光源のレーザ光出射動作を制御する制御部とを含むことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
前記請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザビーム投影マスクを用いて、照射対象物にレーザ光を照射することによって結晶化された領域に形成される薄膜トランジスタ素子であって、
結晶化された領域が、配置方向に対して４５度傾斜した結晶成長方向を有することを特徴とする薄膜トランジスタ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば半導体デバイスに用いられる非晶質材料をレーザビーム照射によって結晶化することに用いられるレーザビーム投影マスク、それを用いるレーザ加工方法およびレーザ加工装置、ならびにそれを用いて生成される薄膜トランジスタ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスを製造する方法として、単結晶シリコン（Ｓｉ）材料を用いる方法、ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いる方法などがある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いて製造される半導体デバイスは、イメージセンサおよびアクティブマトリクス液晶表示装置の一部として用いられている。
【０００３】
液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明な基板上に規則的なアレイとして配列される薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：略称ＴＦＴ）として用いられ、ＴＦＴは画素コントローラとして作用する。従来、液晶表示装置に用いられるＴＦＴは、非晶質シリコン膜によって形成されている。しかしながら、非晶質シリコンは電子移動度が低いので、近年、非晶質シリコン膜に代わり、電子移動度が高い多結晶シリコン膜を用いて、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したＴＦＴ液晶表示装置が製造されるに至っている。
【０００４】
多結晶シリコン膜を製造する方法として、たとえば、基板上に堆積している非晶質シリコン膜または微結晶シリコン膜にエキシマレーザを照射して結晶化（Excimer Laser
Crystallization：略称ＥＬＣ）する方法（この方法を以後「ＥＬＣ法」と呼ぶことがある）が挙げられる。ＥＬＣ法は、処理されるべき非晶質シリコン膜に対し、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０.２〜１.０ｍｍ程度の線状レーザビームを、一定速度で走査しながら非晶質シリコン膜上に連続的に照射するのが一般的である。
【０００５】
このとき、レーザビームが照射された部分のシリコン膜は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、厚さ方向に一部未溶融のシリコン膜の領域を残した状態で溶融する。したがって、シリコン膜の未溶融領域と溶融領域との界面の全面において、結晶核が発生し、多くの結晶核からシリコン膜の最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるので、結晶粒径が１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。
【０００６】
多結晶シリコン膜の結晶粒界には、不対電子が多数存在するのでポテンシャル障壁が形成され、結晶粒界がキャリアの強い散乱体として作用する。したがって、結晶粒界が少ない、すなわち結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されるＴＦＴほど、一般的に電子移動度が高くなる。しかしながら、従来のＥＬＣ法では、前述のように、未溶融領域／溶融領域界面のランダムな位置において、多くの結晶核を起点として結晶化が起こる縦方向結晶成長であるので、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることは難しく、電子移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。
【０００７】
また、ランダムに結晶化するので、結晶化された多結晶シリコン膜によって作製される各ＴＦＴ相互間で構造の不均一性が生じるとともに、ＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じるという不具合が発生する。さらに、このような不具合が生じると、ＴＦＴ液晶表示装置において、１つの表示画面の中に、表示速度の速い画素と表示速度の遅い画素とが並存し、表示速度にむらが発生するという問題がある。そこで、さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすること、シリコン結晶の方位を制御することなどが求められる。
【０００８】
このうち、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくし、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。多くの提案の中でも、特に、「ラテラル成長法」に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるので、注目を集めている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
図１３は、ラテラル成長法に用いられる典型的なレーザ加工装置１の構成を簡略化して示す系統図である。レーザ加工装置１は、パルスレーザを発振しレーザ光を出射する光源２と、可変減衰器３と、可変焦点視野レンズ４と、可変焦点視野レンズ４を透過したレーザ光を所定のパターンに限定して透過させる投影マスク５と、投影マスク５を通過したレーザ光を半導体素子７の表面に結像させる結像レンズ６と、半導体素子７を載置して半導体素子７を所望の方向に移動させるステージ８と、光源２から出射されるレーザ光を反射してその光路を曲げるために設けられる複数の反射ミラー９と、光源２およびステージ８が電気的に接続され、光源２およびステージ８の動作を制御する制御部１０とを含んで構成される。
【００１０】
図１４は、半導体素子７の構成を簡略化して示す断面図である。半導体素子７は、光透過性を有する透明基板１１と、透明基板１１上に形成される下地膜１２と、下地膜１２上に形成される半導体膜１３とを含んで構成される。
【００１１】
ラテラル成長法は、レーザ加工装置１によって、微細幅のパルスレーザを半導体素子７に照射し、半導体膜１３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うものである。このレーザ加工装置１によれば、光源２から出射されるたとえばエキシマレーザが、可変減衰器３、可変焦点視野レンズ４、投影マスク５、結像レンズ６を経由して、半導体素子７の半導体膜１３の上面に照射される。
【００１２】
以下、ラテラル成長法による結晶化の手順について説明する。まず、透明基板１１上の半導体膜１３の延設方向（図１４中に示すＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するに当たり、半導体膜１３内に矢符Ｃで示す領域（以後、領域Ｃと呼ぶことがある）以外の領域をマスキングし、光源２から出射されるレーザ光１４を、半導体膜１３の領域Ｃに照射することによって、半導体膜１３に熱を誘導する。領域Ｃに照射されたレーザ光１４のエネルギが熱エネルギに変換され、半導体膜１３内の領域Ｃに熱を誘導することができるとともに、半導体膜１３をその厚み方向にわたって溶融することができる。
【００１３】
図１５は、半導体膜１３における結晶の成長過程を模式的に示す図である。なお、図１５は半導体膜１３を上面から見た図である。領域Ｃにおいて溶融されている半導体膜１３を冷却して凝固させると、図１５（ａ）に示すように、領域Ｃとそれ以外の領域との境界Ｃ１,Ｃ２から、領域Ｃの中心に向かうようにして、結晶が成長する。
【００１４】
次に、図１５（ｂ）に示すように、領域Ｃと重畳部分を有するようにして、領域Ｃと同じＡＢ方向（この方向を便宜上領域の幅方向と呼ぶ）の寸法を有する領域Ｄを設定する。領域Ｄは、領域Ｃに対して幅方向にずれた位置であって、幅方向一方の側に半導体膜１３の結晶化されていない部分が含まれ、幅方向他方の側が領域Ｃで境界Ｃ１から領域Ｃの中央に向って成長した結晶の略半分程度を含まない位置になるように設定される。
【００１５】
領域Ｄは、上記手順と同様にして溶融される。領域Ｄにおいて溶融されている半導体膜１３を冷却して凝固させると、図１５（ｃ）に示すように、領域Ｄ内に結晶が成長する。このとき、領域Ｄの他方の側における境界Ｄ１では、領域Ｃを結晶化する際に成長した結晶が、その成長方向に略半分のみが溶融され、残部の半分が溶融されずに残るので、この溶融されずに残る結晶を種結晶として、境界Ｄ１から領域Ｄの中央に向ってエピタキシャルに結晶成長し、より大きく成長した結晶が得られる。
【００１６】
このような手順を繰返し、半導体膜１３の延設方向に沿って段階的に結晶化させることによって、図１５（ｄ）に示すような多結晶構造の半導体結晶を拡大成長させ、結晶粒の大きいたとえば多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００１７】
しかしながら、特許文献１の結晶化方法では、ステージ８の移動速度が小さく結晶化に時間がかかるという問題がある。この問題を解決する従来技術として、マスクスリットをいくつかのブロックに分割し、半導体膜の全面で結晶を拡大成長させるのではなく、半導体膜面の上記ブロックにおいて、各ブロックごとに結晶を拡大成長させる手法が提案されている（特許文献２参照）。
【００１８】
結晶化した半導体膜上に形成されるＴＦＴ素子は、実装密度をできるだけ向上させるために、また回路配置の都合で、半導体膜が形成される透明基板の方向に対して、必ずしも一方向に固定されることなく、一般的には表示素子等のアレイ構造にも依存して、縦方向の素子と横方向の素子とが存在している。
【００１９】
図１５（ｄ）に模式的に示すＴＦＴ素子１５は、ソース１６、ゲート１７、ドレイン１８の配列が、結晶成長方向に平行、すなわち電流の流れる方向と結晶成長方向とが平行になるように形成されるので、高い電子移動度を発揮することができる。しかしながら、ＴＦＴ素子が、電流の流れる方向と結晶の成長方向とが垂直になるように形成されると、電子移動度が低く、スイッチング特性の不均一が生じるという問題がある。
【００２０】
この問題を解決する従来技術として、互いに直交する方向に成長させた結晶を、それぞれの方向にさらに結晶成長させることによって、結晶化領域の異方性をなくして均一な特性を得ようとする試みがなされている（特許文献３参照）。しかしながら、特許文献３に開示される技術に基づいて実際に結晶化を行うと、最終照射の影響が残るので、必ずしも均一にはならないという問題がある。
【００２１】
図１６は、従来技術により作製されたＴＦＴの電流−電圧特性を示す図である。図１６は、特許文献３の結晶化方法により作製されたＴＦＴに係る電流−電圧特性を示す。図１６中、一点鎖線ラインの「０度」のデータは、電流が流れるチャネルの方向と結晶成長方向とが一致する場合を示し、破線ラインの「９０度」のデータは、電流が流れるチャネルの方向と結晶成長方向とが直交する場合を示す。図１６中に二点鎖線で楕円に囲う領域Ｒに注目すると、ドレイン電流の立ち上がりの傾きは０度と９０度とにおいて大きく異なり、その特性に方向性が存在する。このような方向性の存在は、デバイス設計の支障になるという問題がある。
【００２２】
さらに、特許文献３において開示される互いに直交する方向にスリットがそれぞれ形成される領域を複数有するマスクであって、同じ方向にスリットが形成される領域が隣接するように配置されるマスクを用いて結晶成長させたとしても、その特性が必ずしも均一にはならないという問題がある。このことは、特許文献３においては、最終照射の影響が残ることが考慮されていなかったことによるものである。
【００２３】
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特表２００３−５０９８４４号公報
【特許文献３】特開２００３−２２９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、縦方向に配置されるＴＦＴ素子の特性と横方向に設置されるＴＦＴ素子の特性とを同一にし、安定した特性のＴＦＴデバイスを形成することができるように、半導体膜に結晶成長させることのできるレーザビーム投影マスク、レーザ加工方法、レーザ加工装置を提供することである。
【００２５】
また本発明のもう一つの目的は、縦方向および横方向のいずれの配置にも関わらず、同じ特性を発揮することができるＴＦＴ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、レーザ光を透過させる透過部分とレーザ光を透過させない非透過部分とを有し、透過部分を透過したレーザ光を照射対象物に照射させて照射対象物を結晶化させることに用いられるレーザビーム投影マスクであって、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第１光透過パターンを有し、該第１光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第１領域と、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第２光透過パターンであって、第１領域の第１光透過パターンと同一の仮想線上で重ねるとき、第１光透過パターンによって照射することができない照射対象物の領域を、照射することができるように形成される第２光透過パターンを有し、該第２光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第２領域と、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第３光透過パターンであって、第１および第２光透過パターンによって照射することができない照射対象物の領域を、照射することができるように形成される第３光透過パターンを有し、該第３光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第３領域と、
透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして形成される第４光透過パターンであって、第３領域の第３光透過パターンと同一の仮想線上で重ねるとき、第３光透過パターンによって照射することができない照射対象物の領域を、照射することができるように形成される第４光透過パターンを有し、該第４光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第４領域とを含むことを特徴とするレーザビーム投影マスクである。
【００２７】
また本発明は、第１光透過パターンに対して直交する方向に第１光透過パターンと同一形状に形成される第５光透過パターンを有し、該第５光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第５領域と、
第２光透過パターンに対して直交する方向に第２光透過パターンと同一形状に形成される第６光透過パターンを有し、該第６光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して複数形成される第６領域と、
第３光透過パターンに対して直交する方向に第３光透過パターンと同一形状に形成される第７光透過パターンを有し、該第７光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して複数形成される第７領域と、
第４光透過パターンに対して直交する方向に第４光透過パターンと同一形状に形成される第８光透過パターンを有し、該第８光透過パターンが、予め定める一定の距離を有して複数形成される第８領域とを、さらに含むことを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の単位照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線方向に細長く延びる略６角形状を有することを特徴とする。
【００２９】
また本発明は、照射対象物である被処理基板を構成する非晶質材料層または被処理基板上に形成される非晶質材料層に、前記いずれかに記載のレーザビーム投影マスクを介してレーザ光を投影して照射し、非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工方法であって、
レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を、非晶質材料層の表面に画されるＡ領域内に照射してＡ領域内の非晶質材料を溶融し、凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、
照射対象物を予め定める方向に予め定める距離移動させ、移動前のＡ領域と部分的に重畳するように非晶質材料層の表面に画されるＢ領域を定める領域移動工程と、
レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を、非晶質材料層の表面に画されるＢ領域内に照射してＢ領域内の非晶質材料を溶融し、凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを含み、
非晶質材料の結晶化される領域が、予め定める大きさに達するまで、第１の結晶化工程と、領域移動工程と、第２の結晶化工程とを、レーザビーム投影マスクが有する領域の数に応じて繰返し実行することを特徴とするレーザ加工方法である。
【００３０】
また本発明は、第１の結晶化工程および第２の結晶化工程において、照射対象物に対して、レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を照射することに加え、レーザビーム投影マスクを介することなくもう１つのレーザ光を照射することを特徴とする。
【００３１】
また本発明は、照射対象物である被処理基板を構成する非晶質材料層または被処理基板上に形成される非晶質材料層に、レーザ光を照射して非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
前記いずれかに記載のレーザビーム投影マスクと、
照射対象物を載置し、照射対象物を少なくとも１次元方向に移動可能なステージと、
レーザビーム投影マスクと照射対象物との相対位置を変化させてレーザ光による照射対象物表面の照射領域を定めるステージの移動動作および光源のレーザ光出射動作を制御する制御部とを含むことを特徴とするレーザ加工装置である。
【００３２】
また本発明は、前記いずれかに記載のレーザビーム投影マスクを用いて、照射対象物にレーザ光を照射することによって結晶化された領域に形成される薄膜トランジスタ素子であって、
結晶化された領域が、配置方向に対して４５度傾斜した結晶成長方向を有することを特徴とする薄膜トランジスタ素子である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、レーザビーム投影マスクには、透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線上に並ぶようにして光透過パターンが形成される第１〜第４領域が含まれる。このことによって、レーザビーム投影マスクを透過し、照射対象物にレーザ光が最終照射されて結晶化された領域に対して、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子を縦方向および横方向のいずれの配置で形成しても、ＴＦＴ素子の配置方向に対して４５度に傾斜した結晶成長方向とすることができるので、縦方向に配置されるＴＦＴ素子の特性と横方向に配置されるＴＦＴ素子の特性とが同一になる。
【００３４】
また、レーザビーム投影マスクの光透過パターンは、すべて半導体素子の移動方向に対して４５度傾斜した同一の幾何学的配置で形成され、かつレーザビーム投影マスクに形成される第１光透過パターンと第２光透過パターンとは、１仮想線上において照射対象物の照射することができない領域を互いに補完するように形成され、第３光透過パターンと第４光透過パターンとは、１仮想線上において互いに照射対象物の照射することができない領域を補完するように形成されるので、照射対象物の照射される領域間の継ぎ目をなくすことが可能になる。
【００３５】
また本発明によれば、レーザビーム投影マスクには、第１〜第４領域にそれぞれ形成される第１〜第４光透過パターンと同一の形状を有し、第１〜第４光透過パターンに対してそれぞれに直交する方向に形成される第５〜第８光透過パターンをそれぞれ備える第５〜第８領域が含まれる。このことによって、第１〜第８領域にそれぞれ形成される第１〜第８光透過パターンを透過して照射対象物にレーザ光を照射するとき、レーザ光が同一場所に重ねて照射されることになるので、１回の照射で単純に斜め方向に結晶化した場合に比べて結晶粒が大きくなり、特性が向上する。また、同一場所に重ねて照射されることによって、光源が照射ミス（発振異常）を起こした場合であっても、ＴＦＴ素子の特性が極端に劣化することを防止することができる。
【００３６】
また本発明によれば、透過部分を透過して照射対象物に照射されるレーザ光の単位照射領域が、照射対象物の移動する移動方向に対して４５度傾斜した仮想線方向に細長く延びる略６角形状を有する。このことによって、光透過パターンを透過して照射される照射領域の仮想線方向の端部においても、照射領域の仮想線方向に対して直交する方向の中央部に向って結晶成長させることができるので、縦方向に配置されるＴＦＴ素子の特性と横方向に設置されるＴＦＴ素子の特性とが確実に同一になる。
【００３７】
また本発明によれば、照射対象物である被処理基板を構成する非晶質材料層または被処理基板上に形成される非晶質材料層に、前記いずれかのレーザビーム投影マスクを介してレーザ光を投影して照射し、非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工方法は、レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を、非晶質材料層の表面に画されるＡ領域内に照射してＡ領域内の非晶質材料を溶融し、凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、照射対象物を予め定める方向に予め定める距離移動させ、移動前のＡ領域と部分的に重畳するように非晶質材料層の表面に画されるＢ領域を定める領域移動工程と、レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を、非晶質材料層の表面に画されるＢ領域内に照射してＢ領域内の非晶質材料を溶融し、凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを含み、非晶質材料の結晶化される領域が、予め定める大きさに達するまで、第１の結晶化工程と、領域移動工程と、第２の結晶化工程とを、レーザビーム投影マスクが有する領域の数に応じて繰返し実行する。このことによって、レーザビーム投影マスクを透過し、照射対象物にレーザ光が最終照射されて結晶化された領域に対して、ＴＦＴ素子を縦方向および横方向のいずれの配置で形成しても、ＴＦＴ素子の配置方向に対して４５度に傾斜した結晶成長方向とすることができるので、縦方向に配置されるＴＦＴ素子の特性と横方向に配置されるＴＦＴ素子の特性とが同一になる。また領域移動工程において、移動前のＡ領域と部分的に重畳するようにしてＢ領域を設定し、Ｂ領域にレーザ光を照射して結晶成長させるので、Ｂ領域を溶融させるときＡ領域で溶融されずに残った結晶を種結晶として、Ｂ領域にエピタキシャルに結晶成長させ、結晶粒を一層大きくすることができる。
【００３８】
また本発明によれば、第１の結晶化工程および第２の結晶化工程において、照射対象物に対して、レーザビーム投影マスクを介してレーザ光を照射することに加え、レーザビーム投影マスクを介することなくもう１つのレーザ光を照射する。もう１つのレーザ光から与える熱によって、照射領域における溶融部分の冷却速度を緩慢にすることができるので、結晶粒を大きく成長させることができ、一層大きなチャネル長のＴＦＴ素子を作成することが可能になる。また、結晶粒が大きくなることによって、縦方向および横方向のいずれの配置にも関わらずＴＦＴ素子の特性が確実に同一になる。
【００３９】
また本発明によれば、照射対象物である被処理基板を構成する非晶質材料層または被処理基板上に形成される非晶質材料層に、レーザ光を照射して非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工装置は、レーザ光を出射する光源と、前記いずれかのレーザビーム投影マスクと、照射対象物を載置し、照射対象物を少なくとも１次元方向に移動可能なステージと、レーザビーム投影マスクと照射対象物との相対位置を変化させてレーザ光による照射対象物表面の照射領域を定めるステージの移動動作および光源のレーザ光出射動作を制御する制御部とを含んで構成される。このことによって、レーザビーム投影マスクを透過し、照射対象物にレーザ光が最終照射されて結晶化された領域に対して、ＴＦＴ素子を縦方向および横方向のいずれの配置で形成しても、ＴＦＴ素子の配置方向に対して４５度に傾斜した結晶成長方向とすることができるので、縦方向に配置されるＴＦＴ素子の特性と横方向に配置されるＴＦＴ素子の特性とが同一になる。またステージの移動と光源によるレーザ光の出射とを同期させることによって、非晶質材料層の確実な結晶化が可能である。
【００４０】
また本発明によれば、ＴＦＴ素子は、前記いずれかのレーザビーム投影マスクを用いて、照射対象物にレーザ光を照射することによって結晶化された領域に形成され、結晶化された領域がＴＦＴ素子の配置方向に対して４５度傾斜した結晶成長方向を有する。このようなＴＦＴ素子は、縦方向に配置される場合の特性と、横方向に配置される場合の特性とが同一になるので、ＴＦＴ素子を用いた表示装置の設計に制限を加えられることなく、自由な設計が可能になり、小型化、低コスト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は本発明の実施の第１形態であるレーザ加工装置３０の構成を簡略化して示す系統図であり、図２は結晶化処理される半導体素子３１の構成を簡略化して示す断面図であり、図３はレーザ加工装置３０に備わる本発明のもう１つの実施形態であるレーザビーム投影マスクの３５構成を簡略化して示す平面図である。
【００４２】
レーザ加工装置３０は、照射対象物である半導体素子３１を構成する非晶質材料層４３に、レーザ光を照射して非晶質材料層４３を結晶化させることに用いられる装置である。レーザ加工装置３０は、レーザ光を出射する光源３２と、可変減衰器３３と、可変焦点視野レンズ３４と、レーザビーム投影マスク３５と、レーザビーム投影マスク３５を通過したレーザ光を半導体素子３１の表面に結像させる結像レンズ３６と、光源３２から出射されるレーザ光を反射してその光路を曲げるために設けられる複数の反射ミラー３７と、半導体素子３１を載置し、半導体素子３１をＸ−Ｙの２次元方向に移動可能なステージ３８と、レーザビーム投影マスク３５と半導体素子３１との相対位置を変化させてレーザ光による半導体素子３１表面の照射領域を定めるステージ３８の移動動作および光源３２のレーザ光出射動作を制御する制御部３９とを含む。
【００４３】
半導体素子３１は、基板としての透明基板４１の上に、下地膜４２、結晶化されるべき非晶質材料層４３であるたとえばシリコン膜４３が順次積層されて構成される。ここで、下地膜４２として用いられる材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる誘電体材料である。下地膜４２およびシリコン膜４３について、その膜厚の事例を示すと、たとえば下地膜４２が１００ｎｍ、シリコン膜４３が５０ｎｍであるけれども、これらの膜厚に限定されるものではなく、発現させるべき性能に応じて適宜設定される。
【００４４】
下地膜４２は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどによって透明基板４１上に積層される。シリコン膜４３は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：略称ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどによって下地膜４２上に積層される。レーザ加工装置３０を用いてレーザ加工される前の時点で、シリコン膜４３は、非晶質（アモルファス）の状態である。
【００４５】
半導体素子３１が載置されるステージ３８は、不図示の駆動源を有し、Ｘ方向とＹ方向との２次元方向に移動可能な駆動テーブルである。ここで、Ｘ方向とは、水平面において選択される１方向であり、本実施形態の図１の紙面上では左右方向であり、Ｙ方向は、水平面において上記Ｘ方向に直交する方向とし、図１の紙面上では前後方向である。このＸ−Ｙ方向は、本明細書を通じて共通に用いられる。なお、ステージ３８は、２次元方向に移動可能な構成に限定されることなく、単一方向の１次元移動であってもよく、またＸ−Ｙ方向のいずれに対しても直交するＺ方向にも移動可能な３次元移動であってもよく、また２次元移動に加えて鉛直方向に延びる１軸線まわりに回転駆動可能であってもよい。
【００４６】
光源３２は、固体状態にあるシリコン膜４３への吸収率が高い範囲の波長を有する、より具体的には紫外域の波長を有するレーザ光を出射できるものであることが好ましい。このような紫外域の波長を有するレーザ光を出射できるものとしては、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザがあげられる。光源３２から出射されるレーザ光４５は、固体状態にあるシリコン膜４３を溶融させるエネルギ量を有することが好ましい。このエネルギ量は、シリコン膜４３の材質の種類、膜厚、結晶化領域の面積などにより適正量が異なるので、一義的に定めることはできない。したがって、シリコン膜４３における上記各条件に合わせて適宜適当なエネルギ量を有する光源３２を用いるか、もしくは光源３２の出力を適宜好適なエネルギ量に設定することが望ましい。シリコン膜４３に替えて他の種類の半導体膜を結晶化する場合も同様である。具体的には、半導体膜を全膜厚にわたって融点以上の温度に加熱することのできるエネルギ量を有する光源３２を用いることが推奨される。
【００４７】
本実施の形態では、光源３２として、塩化キセノン（ＸｅＣｌ）による波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザが用いられる。なお、光源３２としては、エキシマレーザに限定されることなく、レーザ光を発振し、シリコンを溶融することが可能なレーザ発振器であればよく、たとえばＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどの紫外域の波長を有するレーザ発振器であってもよい。
【００４８】
可変減衰器３３は、光源３２から出射されたレーザ光４５の透過率を設定可能に構成される。可変減衰器３３で透過率を変えることによって、光源３２から出射されたレーザ光４５の照度を調整することができる。可変焦点視野レンズ３４は、光源３２から出射されて入射されるレーザ光４５を集光して焦点を調整するレンズである。
【００４９】
以下、図３を参照し、本発明のもう１つの実施形態であるレーザビーム投影マスク３５について説明する。レーザビーム投影マスク３５は、上面から見た形状が矩形を有し、たとえば合成石英基板にクロム薄膜をパターニングすることによって形成される薄板であり、クロム薄膜の設けられる部分が光の非透過部分を構成し、クロム薄膜の設けられない部分が光の透過部分を構成する。本実施形態のレーザビーム投影マスク３５は、上面から見て薄板を、長方形状を有する４つの均等領域に区分することによって形成される第１〜第４領域５１，５２，５３，５４を有する。
【００５０】
第１領域５１は、透過部分５５を透過して照射対象物である半導体素子３１に照射されるレーザ光の照射領域が、半導体素子３１の移動する移動方向（ここではＸ方向とする）に対して４５度傾斜した仮想線５７ａ上に並ぶようにして形成される第１光透過パターン６１を有し、該第１光透過パターン６１が、予め定める一定の間隔Ｌ１を有して平行に複数形成される。この第１領域５１を、ここではｂ−Ａ領域５１と呼ぶ。
【００５１】
第２領域５２は、透過部分５５を透過して半導体素子３１に照射されるレーザ光の照射領域が、半導体素子３１の移動する移動方向（Ｘ方向）に対して４５度傾斜した仮想線５７ａ上に並ぶようにして形成される第２光透過パターン６２であって、ｂ−Ａ領域５１の第１光透過パターン６１と同一の仮想線５７ａ上で重ねるとき、第１光透過パターン６１によって照射することができない半導体素子３１の領域を、照射することができるように形成される第２光透過パターンを有し、該第２光透過パターンが、予め定める一定の距離Ｌ１を有して平行に複数形成される。この第２領域５２を、ここではｂ−Ｂ領域５２と呼ぶ。
【００５２】
図４は、第１光透過パターン６１と第２光透過パターン６２との関係を示す図である。図４（ｃ）は第１光透過パターン６１を示し、図４（ｂ）は第２光透過パターン６２を示し、図４（ａ）は第１光透過パターン６１と第２光透過パターン６２とを仮想線５７ａ上に重ね合せた状態を示す。
【００５３】
第１光透過パターン６１と第２光透過パターン６２とは、ｂ−Ａ領域５１およびｂ−Ｂ領域５２のそれぞれにおいて、相対的に同じ位置関係にある仮想線５７ａ上に形成される。本実施形態では、第１および第２光透過パターン６１，６２の１つのユニット（たとえば、図４中でハッチングを付して示すユニット６１ａ，６２ａ）、すなわちｂ−Ａおよびｂ−Ｂ領域５１，５２の透過部分５５を透過して半導体素子３１の表面に照射されるレーザ光の単位照射領域が、半導体素子３１の移動するＸ方向に対して４５度傾斜した仮想線５７ａ方向に細長く延びる略６角形状を有するように形成される。換言すれば、ユニット６１ａ，６２ａは、長方形の両短辺側に３角形がそれぞれ付された形状を有する。ここで、略６角形とは、６角形を含み、その他たとえば６角形の各辺が若干の曲率を有するように形成さされるような場合も含む意味に用いられる。
【００５４】
第１および第２光透過パターン６１，６２は、上記ユニット６１ａ，６２ａが、仮想線５７ａ方向に略６角形の頂点、すなわち上記３角形部分の頂点が連なるようにしてそれぞれ形成される。したがって、第１光透過パターン６１のみの半導体素子３１表面における照射領域を考慮すると、上記三角形の頂点同士が連なる部位の近辺においては、ユニット６１ａの長方形部分による照射領域に比較して、３角形状の照射することができない領域６５が発生する。
【００５５】
第２光透過パターン６２は、第１光透過パターン６１と同じ仮想線５７ａ上で重なるように、かつ仮想線５７ａが延びる方向に、第１光透過パターン６１よりも、ユニット６２ａの長方形部分を構成する長辺の１辺分の長さだけずらすようにして形成される。
【００５６】
このことによって、第２光透過パターン６２を透過して半導体素子３１の表面に達するレーザ光は、半導体素子３１の第１光透過パターン６１によって照射することができない領域６５を照射することができる。また逆の関係も成立ち、第１光透過パターン６１を透過して半導体素子３１の表面に達するレーザ光は、半導体素子３１の第２光透過パターン６２によって照射することができない領域６６を照射することができる。すなわち、第１光透過パターン６１と第２光透過パターン６２とは、半導体素子３１の表面上で照射することができない領域を互いに補って照射し、補完することができるように形成される。
【００５７】
図３に戻って、第３領域５３は、透過部分５５を透過して半導体素子３１に照射されるレーザ光の照射領域が、半導体素子３１の移動するＸ方向に対して４５度傾斜したもう１つの仮想線５７ｂ上に並ぶようにして形成される第３光透過パターン６３であって、第１および第２光透過パターン６１，６２によって照射することができない半導体素子３１の領域を、照射することができるように形成される第３光透過パターン６３を有し、該第３光透過パターン６３が、予め定める一定の距離Ｌ１を有して平行に複数形成される。この第３領域５３を、ここではｂ−Ｃ領域５３と呼ぶ。
【００５８】
第１および第２光透過パターン６１，６２によって照射することができない半導体素子３１の領域とは、次の部分をいう。たとえば、透過部分５５である第１光透過パターン６１は、複数個が距離Ｌ１を有して平行に形成されるが、隣合って形成される第１光透過パターン６１同士の間には、非透過部分５６が形成される。非透過部分５６は、レーザ光を遮り、半導体素子３１の表面に照射領域を形成することがなく、この照射されない領域を、第１光透過パターン６１によって照射することができない半導体素子３１の領域という。第２光透過パターン６２についても同様である。ｂ−Ｃ領域５３をｂ−Ａおよびｂ−Ｂ領域５１，５２に重ね合せたとき、第３光透過パターン６３は、ｂ−Ａおよびｂ−Ｂ領域５１，５２の非透過部分５６に位置するように形成される。
【００５９】
第４領域５４は、透過部分５５を透過して半導体素子３１に照射されるレーザ光の照射領域が、半導体素子３１の移動するＸ方向に対して４５度傾斜したもう１つの仮想線５７ｂ上に並ぶようにして形成される第４光透過パターン６４であって、ｂ−Ｃ領域５３の第３光透過パターン６３と同一の仮想線５７ｂ上で重ねるとき、第３光透過パターン６３によって照射することができない半導体素子３１の領域を、照射することができるように形成される第４光透過パターン６４を有し、該第４光透過パターン６４が、予め定める一定の距離Ｌ１を有して平行に複数形成される。この第４領域５３を、ここではｂ−Ｄ領域５４と呼ぶ。
【００６０】
第３光透過パターン６３と第４光透過パターン６４とは、第１光透過パターン６１と第２光透過パターン６２との関係と同様に、半導体素子３１の表面上で照射することができない領域を互いに補って照射し、補完することができるように形成される。
【００６１】
また、第１および第２光透過パターン６１，６２と、第３および第４光透過パターン６３，６４とは、半導体素子３１の照射野において照射することができない領域を互いに補完するように形成される。すなわち、半導体素子３１をＸ方向に順次移動させ、レーザビーム投影マスク３５のｂ−Ａ領域〜ｂ−Ｄ領域５１，５２，５３，５４までの各領域の光透過パターン６１，６２，６３，６４をそれぞれ透過させて半導体素子３１の表面を照射したとき、半導体素子３１の表面に形成される照射野の全面がレーザ光で照射されるように、第１および第２光透過パターン６１，６２と、第３および第４光透過パターン６３，６４とが、形成される。
【００６２】
制御部３９は、中央処理装置（略称ＣＰＵ）を備えるたとえばマイクロコンピュータなどによって実現される処理回路である。制御部３９には、光源３２およびステージ３８が電気的に接続される。制御部３９は、光源３２のレーザ光出射動作、具体的には光源３２から出射されるレーザ光の発振パルス時間および発振周期を制御する。また制御部３９は、ステージの移動動作、換言すればステージ３８に載置される半導体素子３１の移動位置を制御する。制御部３９には記憶部が付設され、記憶部にはレーザ加工装置３０の全体動作を制御するプログラムおよび光源３２およびステージ３８の動作制御条件データが予め格納される。制御部３９による光源３２およびステージ３８の動作制御は、記憶部から読出されるプログラムおよび動作制御条件データに従って実行される。
【００６３】
以下、レーザ加工装置３０を用いて、半導体素子３１のシリコン膜４３を結晶化するレーザ加工方法について説明する。
【００６４】
光源３２から出射されたレーザ光４５は、可変減衰器３３、可変焦点視野レンズ３４、レーザビーム投影マスク３４、結像レンズ３６および各反射ミラー３７を経由して、ステージ３８上に載置される半導体素子３１のシリコン膜４３上面にマスキングによって形成される照射野Ｚに照射される。
【００６５】
まず、第１の結晶化工程では、光源３２から出射されるレーザ光４５を、レーザビーム投影マスク３５を介してシリコン膜４３の表面に画されるＡ領域内に照射してＡ領域内の非晶質シリコンを溶融し、凝固させて結晶化する。ここで、シリコン膜４３の表面に画されるＡ領域とは、たとえばレーザビーム投影マスク３５のｂ−Ａ領域５１を対象にすると、ｂ−Ａ領域５１の透過部分５５である第１光透過パターン６１によってシリコン膜４３の表面に画される照射領域である。レーザ光が照射されることによって、Ａ領域のシリコン膜４３は、厚さ方向全域にわたって溶融し、次いで凝固して結晶化される。
【００６６】
シリコン膜４３の上面に設定される照射野Ｚが、たとえばレーザビーム投影マスク３５における４つの領域、すなわちｂ−Ａ〜ｂ−Ｄ領域５１，５２，５３，５４のすべてに及ぶとき、第１〜第４光透過パターン６１，６２，６３，６４によってシリコン膜４３の表面にそれぞれ画される領域が、それぞれＡ領域となる。
【００６７】
第１の結晶化工程の次に、領域移動工程が実行される。領域移動工程では、ステージ３８上に載置される半導体素子３１を、予め定める方向であるＸ方向に予め定める距離だけ移動させ、移動前のＡ領域と部分的に重畳するようにシリコン膜４３の表面に画されるＢ領域を定める。ここで、Ｂ領域とは、たとえばレーザビーム投影マスク３５のｂ−Ａ領域５１を対象にすると、ｂ−Ａ領域５１の透過部分５５である第１光透過パターン６１によってシリコン膜４３の表面に画される照射領域であって、半導体素子３１の移動に伴って、シリコン膜４３の表面上において、第１の結晶化工程で画されたＡ領域から、半導体素子３１の移動距離だけ移動した位置に形成される照射領域を言う。ただし、半導体素子３１の移動距離は、上記のようにＡ領域とＢ領域とが一部重畳した部分を有するように設定される。なお、半導体素子３１の予め定める移動距離とは、１例を挙げると、レーザビーム投影マスク３５の各領域５１，５２，５３，５４の移動方向の長さ、すなわち各領域５１，５２，５３，５４を構成する短辺の長さＷである。
【００６８】
上記と同様に、シリコン膜４３の上面に設定される照射野Ｚが、たとえばレーザビーム投影マスク３５における４つの領域、すなわちｂ−Ａ〜ｂ−Ｄ領域５１，５２，５３，５４のすべてに及ぶとき、半導体素子３１の移動後に、第１〜第４光透過パターン６１，６２，６３，６４によってシリコン膜４３の表面にそれぞれ画される領域が、それぞれＢ領域となる。
【００６９】
領域移動工程の後、第２の結晶化工程が実行される。第２の結晶化工程では、レーザビーム投影マスク３５を介してレーザ光４５を、シリコン膜４３の表面に画されるＢ領域内に照射してＢ領域内のシリコン膜４３を溶融し、凝固させて結晶化する。
【００７０】
本発明のレーザ加工方法では、シリコン膜４３の結晶化される領域が、予め定める大きさに達するまで、第１の結晶化工程と、領域移動工程と、第２の結晶化工程とを、レーザビーム投影マスク３５が有する領域の数ｎに応じて繰返し実行する。本実施態様のレーザ加工方法においては、繰返し実行回数を、（ｎ−１）回とした。具体的には、本実施形態のレーザ加工装置３０に備わるレーザビーム投影マスク３５は、４つの領域を有するので、繰返し回数が３回（＝４−１）であった。
【００７１】
図５は、本発明のレーザ加工方法によって結晶化されたシリコン膜４３の上面から見た模式図である。図５（ａ）は、シリコン膜４３の結晶化状態を示す拡大図であり、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、結晶化されたシリコン膜４３にＴＦＴ素子を横方向および縦方向に形成する状態を示す図である。
【００７２】
上記レーザ加工方法によって、図５（ａ）の模式図に示すような結晶化した領域が形成される。図５（ａ）中の太いライン７１は、最終照射によって、照射領域の境界から照射領域の中央部へ向って成長した結晶同士が衝突して形成される突起部を表す。
【００７３】
図６は、結晶成長によって形成される突起部の状態を示す断面図である。図６（ａ）では、シリコン膜４３にレーザ光が照射される前の状態を示し、図６（ｂ）では、レーザビーム投影マスク３５を通してシリコン膜４３にレーザ光を照射して結晶化させた状態を示す。
【００７４】
図６（ｂ）で示す照射領域７３は、レーザビーム投影マスク３５に形成される光透過パターンの幅（仮想線５７に垂直な方向の長さ）に相当する。レーザ光が照射されて溶融されたシリコンは、照射領域７３と非照射領域との両境界から照射領域７３の中央部に向って矢符７４，７５の方向にそれぞれ結晶成長する。それぞれ成長した結晶は、照射領域７３のほぼ中央部において衝突するような形で凝固する。この結晶同士が衝突する部分には、シリコン膜４３の表面から突出して若干の盛上がりが形成され、この盛上がり部分をここでは突起部７１と呼ぶ。
【００７５】
図５（ａ）に戻って、図５（ａ）中の細いライン７２は、照射領域７３と非照射領域との境界から照射領域７３の中央部に向って成長する隣接結晶同士の結晶粒界７２を表す。突起部７１および結晶粒界７２において形成される盛上がり部分の高さを突起高さｈと呼ぶことにすると、突起部７１の方が結晶粒界７２よりも突起高さｈが高く形成される。
【００７６】
図５（ａ）の結晶化状態は、最終照射終了時の状態を示しているが、半導体素子３１の移動方向に対して４５度傾斜した結晶成長のパターンが形成されていることが判る。図５（ｂ）には、シリコン膜４３の結晶化領域に対して、横方向に配置されたＴＦＴ素子７６を示し、図５（ｃ）には縦方向に配置されたＴＦＴ素子７７を示す。ＴＦＴ素子の配置が、縦横いずれであっても、そのチャネル内の結晶化領域の形状は同じ、すなわち電流の流れる方向に対する結晶成長方向がいずれも４５度になるように形成されるので、同一の特性が得られる。
【００７７】
図７は、レーザビーム投影マスクの光透過パターンを通してシリコン膜にレーザ光を照射して得られる結晶成長のパターンを模式的に示す平面図である。図７（ａ）は本発明の仮想線５７方向に細長く延びる略６角形状を有する光透過パターンによって照射されて溶融凝固したもの７９（便宜上これを照射パターン痕と呼ぶ）であり、図７（ｂ）は、従来の長方形状を有する光透過パターンによる照射パターン痕８０である。いずれも斜め４５度方向に延びて形成される照射パターン痕７９，８０のうち、延びる方向において中央部付近に形成される１ユニット分の照射パターン痕７９ａ，８０ａが、最終照射された部分である。
【００７８】
通常、シリコンが溶融されるとき、溶融部と非溶融部との境界線に対して垂直に温度勾配が形成され、結晶は温度勾配の方向に沿って成長する。したがって、本発明のように光透過パターンの１ユニット、すなわちシリコン膜４３上に形成される単位照射領域が、６角形、ユニット同士が連なる先端部付近では３角形状に形成されることによって、ユニット同士が連なる先端部付近においても、結晶が１ユニットの幅方向の中央部へ向って成長するので、ユニット同士が連なる先端部付近で形成される突起部７１と、ユニットの長方形部分で形成される突起部７１とが同じ位置で連なることができる。さらに、最終照射パターン痕７９ａが照射形成される前に形成された照射パターン痕７９ｂ，７９ｃに形成される突起部７１と、最終照射パターン痕７９ａに形成される突起部７１とも同じ位置で連なることができる。このように、本発明のレーザビーム投影マスク３５によれば、光透過パターンのユニット同士の継ぎ目、特に突起部７１の継ぎ目を全く判らないようにすることができる。
【００７９】
一方、従来の長方形状のユニットからなるレーザビーム投影マスクによる場合、最終照射された領域においてシリコンが凝固するとき、長方形状を有するユニットの短辺からも、該短辺に対して垂直方向に結晶成長が起こる。また、ユニットの長辺からも該長辺に対して垂直な方向に結晶成長が起こる。したがって、ユニットの延びる方向の中央付近では、ユニットの延びる方向と平行に突起部７１が形成されるとともに、ユニット同士が連なる先端部付近では、短辺側から成長する結晶と、長辺側から成長する結晶とが衝突して、ユニットが延びる方向の中央部へ向って突出する３角形状の結晶化領域８１が形成され、その結晶化領域８１を形成する３角形の辺を成すようにもう１つの突起部７１ａが形成される。すなわち、照射パターン痕８０が延びる方向に延びて形成される突起部７１は、ユニット同士が連なる先端付近において、３角形の２辺を成すように形成されるもう１つの突起部７１ａによって、その連続性が断たれるので、照射パターン痕８０では極めて顕著な継ぎ目が形成される。
【００８０】
図８は、本発明の実施の第２形態であるレーザ加工装置に設けられるレーザビーム投影マスク９０の構成を簡略化して示す平面図である。本実施形態のレーザ加工装置は、本発明のもう１つの実施形態でもあるレーザビーム投影マスク９０を除いて、実施の第１形態のレーザ加工装置３０と同一に構成されるので、構成を示す全体図を省略する。
【００８１】
本発明のもう１つの実施形態であるレーザビーム投影マスク９０は、前述のレーザビーム投影マスク３５に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。レーザビーム投影マスク９０は、前述のレーザビーム投影マスク３５と同じ素材から成り、平面から見た形状が矩形を有し、長方形状を有する８つの均等領域に区分することによって形成される。
【００８２】
レーザビーム投影マスク９０は、前述のレーザビーム投影マスク３５に備わるｂ−Ａ領域５１、ｂ−Ｂ領域５２、ｂ−Ｃ領域５３、ｂ−Ｄ領域５４の構成に加えて、第１光透過パターン６１に対して直交する方向に第１光透過パターン６１と同一形状に形成される第５光透過パターン９１を有し、該第５光透過パターン９１が、予め定める一定の距離を有して平行に複数形成される第５領域９５と、第２光透過パターン６２に対して直交する方向に第２光透過パターン６２と同一形状に形成される第６光透過パターン９２を有し、該第６光透過パターン９２が、予め定める一定の距離を有して複数形成される第６領域９６と、第３光透過パターン６３に対して直交する方向に第３光透過パターン６３と同一形状に形成される第７光透過パターン９３を有し、該第７光透過パターン９３が、予め定める一定の距離を有して複数形成される第７領域９７と、第４光透過パターン６４に対して直交する方向に第４光透過パターン６４と同一形状に形成される第８光透過パターン９４を有し、該第８光透過パターン９４が、予め定める一定の距離を有して複数形成される第８領域９８とを、さらに含む。これらの第５〜第８領域９５，９６，９７，９８を、ここではそれぞれｂ−Ａ１領域９５、ｂ−Ｂ１領域９６、ｂ−Ｃ１領域９７、ｂ−Ｄ１領域９８と呼ぶ。
【００８３】
ｂ−Ａ１領域９５、ｂ−Ｂ１領域９６、ｂ−Ｃ１領域９７、ｂ−Ｄ１領域９８にそれぞれ形成される第５〜第８光透過パターン９１，９２，９３，９４は、ｂ−Ａ領域５１、ｂ−Ｂ領域５２、ｂ−Ｃ領域５３、ｂ−Ｄ領域５４にそれぞれ形成される第１〜第４光透過パターン６１，６２，６３，６４と同様の関係にあるように配置される。すなわち、半導体素子３１をＸ方向に順次移動させ、レーザビーム投影マスク９０のｂ−Ａ１領域〜ｂ−Ｄ１領域９５，９６，９７，９８までの各領域の光透過パターン９１，９２，９３，９４をそれぞれ透過させて半導体素子３１の表面を照射したとき、半導体素子３１の表面に形成される照射野の全面がレーザ光で照射されるように、第５および第６光透過パターン９１，９２と、第７および第８光透過パターン９３，９４とが、形成される。
【００８４】
このレーザビーム投影マスク９０は、レーザ加工装置に搭載され、半導体素子３１のシリコン膜４３を結晶化するレーザ加工に用いられる。そのレーザ加工方法は、前述のレーザ加工装置３０を用いるレーザ加工方法に類似し、第１の結晶化工程、領域移動工程および第２の結晶化工程が、レーザビーム投影マスク９０の有する領域の数（本実施形態では８つ）に応じて、繰返し実行される。ただし、本実施態様のレーザ加工方法では、上記のようにレーザビーム投影マスク９０が８つの領域を有するので、第１の結晶化工程、領域移動工程および第２の結晶化工程が、７回繰返して実行される。また、本実施態様のレーザ加工方法の領域移動工程において、半導体素子３１が移動する予め定める距離として、１例を挙げると、たとえばレーザビーム投影マスク９０を構成する各領域５１〜５４および９５〜９８の半導体素子移動方向（Ｘ方向）の長さ、すなわち各領域５１〜５４および９５〜９８を構成する短辺の長さＷ１である。
【００８５】
図９は、第１の結晶化工程、領域移動工程および第２の結晶化工程を７回繰返して結晶化されたシリコン膜４３の平面から見た模式図である。図９（ａ）は、シリコン膜４３の結晶化状態を示す拡大図であり、図９（ｂ）および図９（ｃ）は、結晶化されたシリコン膜４３にＴＦＴ素子を横方向および縦方向に形成する状態を示す図である。
【００８６】
レーザビーム投影マスク９０を用いて、第１の結晶化工程、領域移動工程および第２の結晶化工程を７回繰返すレーザ加工方法によって、図９（ａ）の模式図に示すような結晶化した領域が形成される。
【００８７】
図９（ａ）中の太い実線のライン１０１は、最終照射によって、照射領域の境界から照射領域の中央部へ向って成長した結晶同士が衝突して形成される最終突起部１０１を表し、太い破線のライン１０２は、最終照射の１回前の照射によって形成された前回突起部１０２を表す。図９（ａ）中の細いライン１０３は、照射領域と非照射領域との境界から照射領域の中央部に向って成長する隣接結晶同士の結晶粒界１０３を表す。最終突起部１０１、前回突起部１０２および結晶粒界１０３における突起高さｈを比較すると、それぞれの突起高さｈは、最終突起部＞前回突起部＞結晶粒界の順で低くなっている。
【００８８】
レーザビーム投影マスク９０では、ｂ−Ａ〜ｂ−Ｄ領域５１〜５４に形成される第１〜第４光透過パターン６１〜６４が形成される延び方向と、ｂ−Ａ１〜ｂ−Ｄ１領域９５〜９８に形成される第５〜第８光透過パターン９１〜９４が形成される延び方向とが、９０度の角度を有している。したがって、レーザビーム投影マスク９０を通したレーザ光が照射されたシリコン膜４３は、その成長方向が９０度異なるものが混在するようにして結晶化される。
【００８９】
このように、半導体素子３１の移動方向に対して４５度傾斜した方向とその方向に対して９０度に交差する方向との異なる２方向に延びる光透過パターンが形成されるレーザビーム投影マスク９０を用いて結晶化させたシリコン膜４３の結晶サイズは、レーザ光が同一場所に重ねて照射されることになるので、半導体素子３１の移動方向に対して４５度傾斜した１方向にのみに延びる光透過パターンが形成されるレーザビーム投影マスク３５を用いて結晶化させたシリコン膜４３の結晶サイズよりも大きくなる。シリコン結晶粒が大きくなるほど、電子移動の障壁が少なくなるので、本実施態様のレーザ加工方法でシリコン膜４３を結晶化することによって、該シリコン膜４３に形成されるＴＦＴ素子の電子移動特性が一層向上する。また、同一場所に重ねて照射されることによって、光源３２が照射ミス（発振異常）を起こした場合であっても、シリコン膜４３に形成されるＴＦＴ素子の特性が極端に劣化することを防止することができる。
【００９０】
図９（ｂ）には、シリコン膜４３の結晶化領域に対して、横方向に配置されたＴＦＴ素子７６を示し、図９（ｃ）には縦方向に配置されたＴＦＴ素子７７を示す。ＴＦＴ素子の配置が、縦横いずれであっても、そのチャネル内の結晶化領域の形状は同じ、すなわち電流の流れる方向に対する結晶成長方向がいずれも４５度もしくはその垂直方向になるように形成されるので、同一の特性が得られる。
【００９１】
図１０は、本発明の実施の第３形態であるレーザ加工装置１１０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施形態のレーザ加工装置１１０は、実施の第１形態のレーザ加工装置３０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。なお、レーザ加工装置１１０においては、レーザビーム投影マスクとして、実施の第２形態のレーザビーム投影マスク９０が用いられる。
【００９２】
レーザ加工装置１１０において注目すべきは、レーザビーム投影マスク９０を介することなく半導体素子３１にレーザ光を照射することができるもう１つの光源１１１を有することである。本実施形態では、実施の第１形態のレーザ加工装置３０に備わるのと同じ光源３２を第１光源３２と呼び、もう１つの光源１１１を第２光源１１１と呼ぶ。第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３は、均一照射光学系１１２を経て、レーザビーム投影マスク９０を通ることなく、反射ミラー３７で光路を曲げられて半導体素子３１のシリコン膜４３の上面に照射される。
【００９３】
第２光源１１１としては、第１光源３２が出射するレーザ光に比べて、溶融（液体）状態にあるシリコン膜４３への吸収率が高い範囲の波長を有するレーザ光１１３を出射できるものであることが好ましい。具体的に、第２光源１１１としては、可視域から赤外域の波長を有するレーザ光１１３を出射できるものであることが好ましく、たとえば、波長５３４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０.６μｍの炭酸ガスレーザなどが挙げられる。
【００９４】
また、第２光源１１１は、固体状態にあるシリコン膜４３を溶融させないエネルギ量のレーザ光を出射するものであることが好ましい。このエネルギ量は、半導体膜としてのシリコン膜４３の材質の種類、膜厚、結晶化領域の面積などにより適正量が異なるので、一義的に定めることはできない。
【００９５】
したがって、シリコン膜４３の態様に合わせて適宜適当なエネルギ量を有する第２光源１１１を用いるか、もしくは第２光源１１１の出力を適宜好適なエネルギ量に設定することが望ましい。具体的には、第２光源１１１を単独でシリコン膜４３に照射した場合、シリコン膜４３を、融点以上の温度に加熱することのできないエネルギ量を有する第２光源１１１を用いることが推奨される。このことは、シリコン膜４３に替えて他の種類の半導体膜を採用した場合も同様である。
【００９６】
本実施形態のレーザ加工装置１１０は、第１光源３２から出射されたレーザ光４５を、レーザビーム投影マスク９０を介してシリコン膜４３の上面に対して垂直方向から入射させるとともに、第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３をシリコン膜４３の上面に対して斜め方向からレーザビーム投影マスク９０を介することなく入射させることができる。
【００９７】
図１１は、第１および第２光源から出射されるレーザ光の出力と出射タイミングとを例示する図である。図１１中、ラインＶ１が、第１光源３２から出射されるレーザ光４５の出力と出射タイミングとを示し、ラインＶ２が、第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３の出力と出射タイミングとを示す。
【００９８】
まず出射タイミングについて説明する。第２光源１１１からのレーザ光１１３は、時刻ｔ０からｔ３にわたって出射される。一方、第１光源３２からのレーザ光４５は、時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ１から時刻ｔ３よりも前の時刻ｔ２までの時間出射される。すなわち、第１光源３２からレーザ光４５が出射される時間Ｔ１（＝ｔ２−ｔ１）は、第２光源１１１からレーザ光１１３が出射される時間Ｔ２（＝ｔ３−ｔ０）に比べて、短くなる（本実施形態では半分以下）ように設定される。
【００９９】
出力に関しては、第１光源３２から出射されるレーザ光４５の出力のピーク値Ｐ１は、第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３の出力のピーク値Ｐ２の数倍になるように設定される。第１光源３２と第２光源１１１との出射タイミングと出力との関係は、図１１に示す関係に限定されないけれども、図１１に示すのと同様の関係に設定されることが好ましい。なお、図１１の時刻ｔ１からｔ３までの時間、シリコン膜４３は溶融状態にある。
【０１００】
本実施形態のレーザ加工装置１１０では、溶融状態にあるシリコン膜４３に対して、第１光源３２から出射されるレーザ光４５に加えて第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３を照射することによって、溶融状態のシリコン膜４３の温度低下（冷却）速度を緩慢にすることができ、凝固が完了するまでの時間を延長することができる。このことによって、溶融（液体）状態にあるシリコン膜４３が凝固することによって生成される多結晶シリコンのラテラル成長距離を大幅に延ばすことが可能になる。
【０１０１】
以下、レーザ加工装置１１０を用いるレーザ加工方法について説明する。まず、第１の結晶化工程では、図１１に示す時刻ｔ０において、第２光源１１１からレーザ光１１３を出射して、シリコン膜４３の表面にたとえばマスキングによって画される照射野内に照射する。
【０１０２】
時刻ｔ０から時間が経過して時刻ｔ１になったとき、第１光源３２から出射されるレーザ光４５を、レーザビーム投影マスク９０の各光透過パターンを通して、シリコン膜４３の表面に画されるＡ領域内に照射する。このとき、Ａ領域内には、第１光源３２から出射されるレーザ光４５と第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３とが、両方照射されている。このＡ領域および後述のＢ領域は、実施の第１形態のレーザ加工装置３０を用いたレーザ加工方法におけるものと同じである。
【０１０３】
その後、時刻ｔ２に至ったとき、第１光源３２からのレーザ光４５の出射を停止し、さらに時刻ｔ３に至ったとき、第２光源１１１からのレーザ光１１３の出射を停止する。このようにしてＡ領域内のシリコン膜４３を溶融し、溶融したシリコン膜４３を凝固させて結晶化する。
【０１０４】
次に、領域移動工程では、制御部３９によってステージ３８を動作制御し、ステージ３８に載置される半導体素子３１を、Ｘ方向に予め定める距離、たとえばレーザビーム投影マスク９０が有する個々の領域のＸ方向の長さＷ１だけ移動させる。このことによって、半導体素子３１すなわちシリコン膜４３が所定の距離だけ移動し、Ａ領域に対して部分的に重畳した領域であるＢ領域が設定される。
【０１０５】
第２の結晶化工程では、第１の結晶化工程における設定と同じ出射タイミングおよび出力で、第１および第２光源３２，１１１からレーザ光４５，１１３が出射され、第１光源３２から出射されるレーザ光４５がレーザビーム投影マスク９０を通してシリコン膜４３の表面に画されるＢ領域に対して照射され、第２光源１１１から出射されるレーザ光１１３がレーザビーム投影マスク９０を介することなくシリコン膜４３の表面に画される照射野に対して照射される。このように、レーザ光４５，１１３の照射によって、Ｂ領域内のシリコン膜４３を溶融し、凝固させて結晶化する。シリコン膜４３の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、第１の結晶化工程、領域移動工程および第２の結晶化工程を繰返して複数回、たとえば７回行う。
【０１０６】
図１２は、レーザ加工装置１１０を用いてレーザ加工を行ったシリコン膜４３の結晶化状態を模式的に示す平面図である。上記のようなレーザ加工方法でシリコン膜４３を結晶化させるとき、半導体素子３１の移動方向であるＸ方向に対して４５度の傾斜を有する方向に結晶成長した第１の結晶化領域１１４と、第１の結晶化領域１１４の結晶成長方向に対して９０度、すなわち第１の結晶化領域１１４の結晶成長方向に対して垂直な方向に結晶成長した第２の結晶化領域１１５とが、結晶化されたシリコン膜４３において占める面積がほぼ同じになる。
【０１０７】
このように、シリコン膜４３の結晶成長方向を、半導体素子３１の移動方向であるＸ方向に対して４５度の傾斜を有する方向とその垂直方向とに揃えるとともに、結晶化されたシリコン膜４３において占める第１の結晶化領域１１４と第２の結晶化領域１１５との面積をほぼ同じにすることによって、シリコン膜４３の結晶化領域に対して縦横のいずれの方向に配置されるＴＦＴ素子を形成した場合であっても、また結晶化されたシリコン膜４３のいずれの部分にＴＦＴ素子を形成した場合であっても、同一の特性を得ることができ、また特性を均一にすることができる。
【０１０８】
本発明のさらなる実施形態として、レーザビーム投影マスク３５または９０をレーザ加工装置３０または１１０に搭載し、いずれかのレーザ加工装置を用いて、シリコン膜４３にレーザ光を照射することによって結晶化された領域に形成されるＴＦＴ素子（たとえば、図５および図９に示すＴＦＴ素子７６，７７）がある。
【０１０９】
本発明のＴＦＴ素子は、結晶化された領域が、その配置方向に対して４５度傾斜した結晶成長方向を有するので、ＴＦＴ素子の配置が、縦横いずれであっても、そのチャネル内の結晶化領域の形状は同じ、すなわち電流の流れる方向に対する結晶成長方向がいずれも４５度になり、配置方向に関わらず同一の特性が得られる。
【０１１０】
本発明のＴＦＴ素子は、液晶パネルなどの表示素子として用いることが可能であり、シリコン膜に形成された結晶粒が大きいので、チャネルを流れるキャリアの移動度が高く、高性能の表示素子として機能を発揮することができる。
【０１１１】
以上に述べたように、本実施の形態では、結晶化されるべき非晶質材料層が、アモルファスシリコン膜である事例について説明するけれども、これに限定されることなく、非晶質のゲルマニウムまたはそれらの合金などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施の第１形態であるレーザ加工装置３０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図２】結晶化処理される半導体素子３１の構成を簡略化して示す断面図である。
【図３】レーザ加工装置３０に備わる本発明のもう１つの実施形態であるレーザビーム投影マスクの３５構成を簡略化して示す平面図である。
【図４】第１光透過パターン６１と第２光透過パターン６２との関係を示す図である。
【図５】本発明のレーザ加工方法によって結晶化されたシリコン膜４３の上面から見た模式図である。
【図６】結晶成長によって形成される突起部の状態を示す断面図である。
【図７】レーザビーム投影マスクの光透過パターンを通してシリコン膜にレーザ光を照射して得られる結晶成長のパターンを模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の実施の第２形態であるレーザ加工装置に設けられるレーザビーム投影マスク９０の構成を簡略化して示す平面図である。
【図９】第１の結晶化工程、領域移動工程および第２の結晶化工程を７回繰返して結晶化されたシリコン膜４３の上面から見た模式図である。
【図１０】本発明の実施の第３形態であるレーザ加工装置１１０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図１１】第１および第２光源から出射されるレーザ光の出力と出射タイミングとを例示する図である。
【図１２】レーザ加工装置１１０を用いてレーザ加工を行ったシリコン膜４３の結晶化状態を模式的に示す平面図である。
【図１３】ラテラル成長法に用いられる典型的なレーザ加工装置１の構成を簡略化して示す系統図である。
【図１４】半導体素子７の構成を簡略化して示す断面図である。
【図１５】半導体膜１３における結晶の成長過程を模式的に示す図である。
【図１６】従来技術により作製したＴＦＴの電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
３０，１１０  レーザ加工装置
３１  半導体素子
３２，１１１  光源
３３  可変減衰器
３４  可変焦点視野レンズ
３５，９０  レーザビーム投影マスク
３６  結像レンズ
３７  反射ミラー
３８  ステージ
３９  制御部
５１  第１領域
５２  第２領域
５３  第３領域
５４  第４領域
６１  第１光透過パターン
６２  第２光透過パターン
６３  第３光透過パターン
６４  第４光透過パターン
９１  第５光透過パターン
９２  第６光透過パターン
９３  第７光透過パターン
９４  第８光透過パターン
９５  第５領域
９６  第６領域
９７  第７領域
９８  第８領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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