(57)【要約】【課題】矩形レーザビームの長辺方向に均一な寸法の結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を得ることができるレーザアニール方法を提供する。【解決手段】基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の長辺方向を向く直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が長辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、前記矩形レーザビームの波長を、定在波方向の所望の結晶粒寸法程度の長さに設定する段階と、を含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の長辺方向を向く直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が長辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、
前記矩形レーザビームの波長を、定在波方向の所望の結晶粒寸法程度の長さに設定する段階と、を含む、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階と、
前記矩形レーザビームを基板に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項３】
矩形レーザビームの長辺と垂直な方向に基板を搬送しながら基板の半導体膜表面を矩形レーザビームで照射する段階を含み、
半導体膜への矩形レーザビームの入射角を、基板の搬送方向、又は、基板の搬送方向と反対方向に増加させるように、前記入射角を調節することを特徴とする請求項２に記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場の向きが矩形の長辺方向と短辺方向に交互に切り換わる偏光した矩形レーザビームを生成する段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項５】
前記矩形レーザビームのエネルギー密度を、又は、前記矩形レーザビームの短辺幅を調整して、形成される多結晶又は単結晶半導体膜の結晶粒の寸法を調整することを特徴とする請求項１乃至４に記載のレーザアニール方法。
【請求項６】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く偏光した直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成して半導体膜表面に入射させる短辺偏光ビーム生成手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項７】
矩形レーザビームの長辺と垂直な方向に基板を搬送する搬送手段と、
半導体膜への矩形レーザビームの入射角を、基板の搬送方向、又は、基板の搬送方向と反対方向に増加させる入射角調整手段と、を備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール装置。
【請求項８】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、
レーザビームを出射する第１及び第２のレーザ発振器と、
第１及び第２のレーザ発振器のレーザパルス出射のタイミングが互いにずれるように第１及び第２のレーザ発振器を制御するパルス制御部と、
第１のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第１の偏光手段と、
第２のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第２の偏光手段と、
第１の偏光手段からのレーザビームと第２の偏光手段からのレーザビームとを合成するビーム合成手段と、
ビーム合成手段からのレーザビームを進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、
第１の偏光手段はレーザビームを前記矩形の長辺方向に偏光させ、第２の偏光手段はレーザビームを矩形の短辺方向に偏光させることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項９】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、
直線偏光した第１のレーザビームを生成する段階と、
直線偏光した第２のレーザビームを生成する段階と、
前記第１のレーザビームの偏光方向と、前記第２のレーザビームの偏光方向とが垂直になるように、前記第１のレーザビームと第２のレーザビームとを合成する段階と、
前記合成されたレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにする段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項１０】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光した矩形レーザビームを生成する段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項１１】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、
直線偏光したレーザビームを生成する段階と、
直線偏光した前記レーザビームを無偏光にする段階と、
無偏光の前記レーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにする段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項１２】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、
レーザビームを出射する第１及び第２のレーザ発振器と、
第１のレーザ発振器からのレーザビームと第２のレーザ発振器からのレーザビームとを合成するビーム合成手段と、
ビーム合成手段からのレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、
前記第１及び第２のレーザ発振器からのレーザビームは直線偏光しており、
第１のレーザ発振器からのレーザビームの偏光方向と、第２のレーザ発振器からのレーザビームの偏光方向とは、前記基板への入射位置において垂直になっている、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項１３】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、
進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光の矩形レーザビームを生成して半導体膜表面に入射させる円偏光ビーム生成手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項１４】
基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、
直線偏光したレーザビームを出射するレーザ発振器と、
該レーザ発振器からのレーザビームを無偏光にする無偏光手段と、
該無偏光手段からのレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造などにおいて基板上のシリコン膜などの非晶質半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又は単結晶半導体膜に改質する技術、及び、基板上の多結晶又は単結晶半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又は単結晶半導体膜の質を向上させる技術に関する。質を向上させる対象である元の多結晶又は単結晶半導体膜としては、固相成長により作製した膜や、レーザアニールにより作製した膜がある。また、多結晶又は単結晶半導体膜の質の向上とは、（１）結晶粒の寸法が大きくなること、（２）結晶粒中にある欠陥が減少すること、及び、（３）結晶粒間に残っている非晶質部分を結晶化することを言う。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造などにおいて基板上に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）と言う）を形成する場合に、ＴＦＴが形成される半導体層として非晶質シリコン膜などの非晶質半導体膜を用いると、キャリアの移動度が小さいため高速動作ができない。そのため、通常、非晶質シリコン膜をレーザアニールによって結晶化した多結晶又は単結晶シリコン膜にする。
【０００３】
非晶質シリコン膜をレーザアニールによって多結晶又は単結晶シリコン膜にするために、進行方向と垂直な断面が矩形のレーザビーム（以下、矩形レーザビームと呼ぶ）を用いることが多い。非晶質シリコン膜が形成された基板をこの矩形の短辺方向にずらしながら非晶質シリコン膜上に照射していく。矩形レーザビームによって多結晶又は単結晶シリコン膜を形成する方法は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、本発明に関連する技術として非特許文献２及び３がある。これらの文献には、偏光レーザビームを固体表面に照射した場合に、固体表面に表面電磁波が励起され、この表面電磁波と入射レーザ光との干渉で固体表面に定在波が発生し、これにより、固体表面に微細周期的構造が形成されることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−３４７２１０  「半導体装置およびその製造方法」
【非特許文献１】www.nml.co.jp/new-business/SUB2/investigation/ripples/texture.pdf.
【非特許文献２】レーザ研究２０００年１２月、第２８巻第１２号、頁８２４〜８２８  「レーザー誘起表面電磁波による金属・半導体のリップル形成入射角度依存性」
【非特許文献３】頁1384〜1401, IEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VOL. QE-22, NO.8, AUGUST, 1986
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
矩形レーザビームの照射によって多結晶又は単結晶シリコンを形成する処理において、結晶粒の成長方向は、温度勾配、即ち、レーザビームのエネルギー勾配の影響を大きく受ける。図１７に示すように、矩形レーザビームの長辺方向のエネルギーは一定であるため、長辺方向に関してランダムな位置に核が発生し、結果として、核がランダムな寸法に成長することになる。
【０００６】
また、矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布には、図１８に示すように、大きな勾配がある。従って、結晶成長は短辺方向のエネルギー分布に極めて敏感であるので、短辺方向の結晶寸法を均一にするのは極めて困難であった。結果として、図１９に示すように、短辺方向の結晶寸法ばらつきは、長辺方向の結晶寸法ばらつきよりも大きくなってしまう。
【０００７】
このように、従来では、寸法が不均一な結晶粒を有する多結晶又は単結晶シリコン膜が形成される。従って、この多結晶又は単結晶シリコン膜にＴＦＴを形成すると、チャネル部において単位長さあたりの結晶粒の数の違いに起因してＴＦＴの間で性能がばらついてしまう。また、短辺方向と長辺方向とで結晶粒寸法が大きく異なるので、長辺方向と短辺方向とでＴＦＴの性能が大きく異なってしまう。これは、ＴＦＴの性能はチャネル部を移動するキャリアが遭遇する結晶粒界が多いほど低下するためである。
【０００８】
そこで、本発明の第１の目的は、長辺方向に均一な寸法の結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を得ることができるレーザアニール方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、短辺方向に均一な寸法の結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を得ることができるレーザアニール方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の第３の目的は、長辺方向と短辺方向との間で寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を得ることができるレーザアニール方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
上記第１の目的を達成するために、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の長辺方向を向く直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が長辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、前記矩形レーザビームの波長を、定在波方向の所望の結晶粒寸法程度の長さに設定する段階と、を含む、ことを特徴とするレーザアニール方法が提供される（請求項１）。
【００１２】
この方法により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱光と、入射矩形レーザビームとに起因する定在波を半導体膜表面上に発生させ、定在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
すなわち、半導体膜上に偏光方向である長辺方向に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生じることになる。従って、この方法で非晶質半導体膜にレーザアニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、長辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、長辺方向の寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。また、この方法で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザアニールを行うと、長辺方向の周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が成長するので、長辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。さらに、矩形レーザビームの波長を選択することで、長辺方向に所望の結晶粒寸法を得ることができる。
【００１３】
また、上記第２の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階と、
前記矩形レーザビームを基板に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法が提供される（請求項２）。
【００１４】
また、上記第２の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く偏光した直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成して半導体膜表面に入射させる短辺偏光ビーム生成手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置が提供される（請求項６）。
【００１５】
この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱光と、入射矩形レーザビームとに起因する定在波を半導体膜表面上に発生させ、定在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
すなわち、半導体膜上に偏光方向である短辺方向に定在波が発生し、又は、楕円偏光の長軸方向に定在波が強く発生し、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生じることになる。従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザアニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、短辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、短辺方向の寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザアニールを行うと、短辺方向の周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が成長するので、短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によると、上記方法は、矩形レーザビームの長辺と垂直な方向に基板を搬送しながら基板の半導体膜表面を矩形レーザビームで照射する段階を含み、半導体膜への矩形レーザビームの入射角を、基板の搬送方向、又は、基板の搬送方向と反対方向に増加させるように、前記入射角を調節する（請求項３）。
【００１７】
前記入射角を、基板の搬送方向に増加させると、短辺方向の結晶粒寸法が増加し、基板の搬送方向と反対方向に増加させると、短辺方向の結晶粒寸法が減少する。
従って、前記入射角を調節することで、短辺方向の結晶粒寸法を調整することができる。例えば、入射角を調整して、短辺方向の結晶粒寸法を長辺方向に形成される結晶粒の寸法と同程度にすることができる。
【００１８】
上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場の向きが矩形の長辺方向と短辺方向に交互に切り換わる偏光した矩形レーザビームを生成する段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法が提供される（請求項４）。
【００１９】
また、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、レーザビームを出射する第１及び第２のレーザ発振器と、第１及び第２のレーザ発振器のレーザパルス出射のタイミングが互いにずれるように第１及び第２のレーザ発振器を制御するパルス制御部と、第１のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第１の偏光手段と、第２のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第２の偏光手段と、第１の偏光手段からのレーザビームと第２の偏光手段からのレーザビームとを合成するビーム合成手段と、ビーム合成手段からのレーザビームを進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、第１の偏光手段はレーザビームを前記矩形の長辺方向に偏光させ、第２の偏光手段はレーザビームを矩形の短辺方向に偏光させることを特徴とするレーザアニール装置が提供される（請求項８）。
【００２０】
この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱光と、入射矩形レーザビームとに起因する向きが互いに垂直な定在波を半導体膜表面上に交互に発生させ、各定在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
すなわち、半導体膜上に偏光方向である長辺方向及び短辺方向に交互に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生じることになる。従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザアニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、長辺方向及び短辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、長辺方向及び短辺方向の寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザアニールを行うと、長辺方向及び短辺方向の周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が成長するので、長辺方向及び短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態によると、前記矩形レーザビームのエネルギー密度を、又は、前記矩形レーザビームの短辺幅を調整して、形成される多結晶又は単結晶半導体膜の結晶粒の寸法を調整する（請求項５）。
【００２２】
これにより、さらに細かい結晶粒寸法の調整を行うことができ、より均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
【００２３】
また、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、直線偏光した第１のレーザビームを生成する段階と、直線偏光した第２のレーザビームを生成する段階と、前記第１のレーザビームの偏光方向と、前記第２のレーザビームの偏光方向とが垂直になるように、前記第１のレーザビームと第２のレーザビームとを合成する段階と、前記合成されたレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにする段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法が提供される（請求項９）。
【００２４】
さらに、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、レーザビームを出射する第１及び第２のレーザ発振器と、第１のレーザ発振器からのレーザビームと第２のレーザ発振器からのレーザビームとを合成するビーム合成手段と、ビーム合成手段からのレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、前記第１及び第２のレーザ発振器からのレーザビームは直線偏光しており、第１のレーザ発振器からのレーザビームの偏光方向と、第２のレーザ発振器からのレーザビームの偏光方向とは、前記基板への入射位置において垂直になっている、ことを特徴とするレーザアニール装置が提供される（請求項１２）。
【００２５】
この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱光と、入射矩形レーザビームとに起因する向きが互いに垂直な定在波を半導体膜表面上に発生させ、各定在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
すなわち、半導体膜上に互いに垂直な偏光方向に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生じることになる。
従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザアニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、互いに垂直な方向に生じる同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、互いに垂直な方向に寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザアニールを行った場合にも、互いに垂直な各方向での周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が均一に成長し、その結果、長辺方向及び短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
【００２６】
また、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光した矩形レーザビームを生成する段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法が提供される（請求項１０）。
【００２７】
さらに、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光の矩形レーザビームを生成して半導体膜表面に入射させる円偏光ビーム生成手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置が提供される（請求項１３）。
【００２８】
この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの半導体膜表面による散乱光と、入射矩形レーザビームとに起因する定在波が、半導体膜表面上において偏光方向に発生する。矩形レーザビームは円偏光ビームであるので、この定在波は、光の進行方向に垂直な面で円運動する。これにより、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が半導体膜表面上のすべての方向に均等に生じることになる。
従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザアニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、すべての方向に均等に生じる周期的な温度勾配の影響を受けて成長するので、すべての方向に寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザアニールを行った場合にも、すべての方向に均等に生じる周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が均一に成長し、その結果、長辺方向及び短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
【００２９】
また、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、直線偏光したレーザビームを生成する段階と、直線偏光した前記レーザビームを無偏光にする段階と、無偏光の前記レーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにする段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザアニール方法が提供される（請求項１１）。
【００３０】
さらに、上記第３の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール装置であって、直線偏光したレーザビームを出射するレーザ発振器と、該レーザ発振器からのレーザビームを無偏光にする無偏光手段と、該無偏光手段からのレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置が提供される（請求項１４）。
【００３１】
レーザ発振器から出射されたレーザビームは直線偏光している場合が多いが、この方法及び装置により、直線偏光したレーザビームを無偏光にして、基板に入射させるので、基板の半導体膜表面には、定在波が生じない。
従って、この方法及び装置で基板の半導体膜にレーザアニールを行った場合、結晶粒がランダムな位置に発生し、しかも、結晶粒の成長もランダムな方向に成長するので、ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制される。その結果、半導体膜の結晶粒の寸法が全体として均一化され、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザアニールを行った場合にも、結晶粒の成長もランダムな方向に成長するので、ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制される。その結果、半導体膜の結晶粒の寸法が全体として均一化され、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法が均一となるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
まず、本発明の原理について説明する。
直線偏光のレーザビームをシリコン基板に入射すると、レーザビームの偏光方向、即ち、電場の振動方向に周期的に現れる微細構造が形成される。この周期的微細構造の周期は、シリコン基板に入射させたレーザビームの波長程度である。
【００３３】
この現象について簡単に説明する（より詳しくは、非特許文献２及び３を参考）。空気中から固体に入射したレーザビームは固体表面の微小な凹凸によって散乱され表面電磁波が固体媒質と空気との間に励起される。この表面電磁波の電界と入射レーザビームの電界が干渉し、固体表面にレーザ光の波長程度の周期を持つ定在波が生じる。この定在波によるアブレーションによって、周期的微細構造が固体表面に形成される。
【００３４】
本発明は、この表面電磁波と入射レーザビームの干渉によって発生する定在波の周期的エネルギー分布を利用して、シリコン膜などの半導体膜にレーザアニール処理を行う。より具体的には、この周期的なエネルギー分布を利用して、結晶粒の成長を制御して均一な寸法に成長した結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成する。
【００３５】
以下において、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３６】
〔第１実施形態〕
図１及び図２は、半導体装置などの基板１上の非晶質シリコン膜にアニール処理を行うレーザアニール装置の構成を示している。レーザアニール装置は、矩形レーザビームを生成するための光学系を有する。この光学系は、この矩形レーザビームの長辺方向に対応する長辺用光学系２と、短辺用光学系４とから構成される。図１は長辺用光学系２の構成を示し、図２は短辺用光学系４の構成を示している。図１と図２において同一の符号は、長辺用光学系２と短辺用光学系４で共有される光学要素を示している。
【００３７】
図１及び図２に示すように、レーザアニール装置は、レーザビームを出射するレーザ発振器（図示せず）と、レーザ発振器から出射されたレーザビームを直線偏光させる偏光素子５と、この直線偏光ビームを進行方向に垂直な断面が矩形の矩形レーザビームに生成するビームエキスパンダ７と、を備える。以下の説明において、矩形レーザビームの断面矩形の長辺方向及び短辺方向を、それぞれ単に長辺方向及び短辺方向と言う。
【００３８】
ビームエキスパンダ７は入射レーザビームを長辺方向に拡大する。レーザアニール装置は、ビームエキスパンダ７により長辺方向に拡大されたレーザビームが入射されるシリンドリカルレンズアレイ９をさらに備える。
【００３９】
また、レーザアニール装置は、シリンドリカルレンズアレイ９を通過した矩形レーザビームを基板１上での長辺方向の長さを調整する長辺用集光レンズ１１と、シリンドリカルレンズアレイ９を通過した矩形レーザビームを基板１上の短辺方向に関して集光させる短辺用集光レンズ１２とを備える。
【００４０】
図３（Ａ）は、ビームエキスパンダ７を通過する前の長辺方向のレーザビームの幅Ａを持つエネルギー分布を示しており、図３（Ｂ）は、非晶質シリコン膜を照射する時の長辺方向の幅Ａ’を持つエネルギー分布を示している。また、図４（Ａ）は、ビームエキスパンダ７を通過する前の短辺方向のレーザビームの幅Ｂを持つエネルギー分布を示しており、図４（Ｂ）は、非晶質シリコン膜を照射する時の短辺方向の幅Ｂ’を持つエネルギー分布を示している。図３（Ｂ）に示すように、照射時の矩形レーザビームのエネルギーは、長辺方向にほぼ一定である。
【００４１】
第１実施形態によると、上述の偏光素子５によりレーザビームは直線偏光されるが、その偏光の向きは長辺方向である。即ち、非晶質シリコン膜に照射される矩形レーザビームの電場は長辺方向を向いている。なお、偏光素子５の代わりに、ガラス面などでレーザビームをブリュースター角で反射させて直線偏光にするなど、他の方法で直線偏光させてもよい。
【００４２】
また、レーザアニール装置は、長辺用光学系２及び短辺用光学系４により非晶質シリコン膜に矩形レーザビームを入射させている時に、非晶質シリコン膜が表面に形成された基板１を、図５の矢印方向に所定の速度で搬送する搬送装置（図示せず）をさらに備える。この搬送装置により、矩形レーザビームを半導体膜表面に入射させながら、長辺方向と垂直な方向に基板を搬送して半導体膜表面の所望の範囲を矩形レーザビームで照射することができる。図５の矢印で示される方向は、長辺方向に垂直であり短辺方向に対応する。以下、矩形レーザビームの短辺を基板表面上に垂直投影させた方向も、単に短辺方向と言う。なお、搬送装置は搬送手段を構成する。
【００４３】
なお、他の適切な光学系を用いて矩形レーザビームを生成して非晶質シリコン膜に照射してもよい。
【００４４】
この長辺方向に偏光した矩形レーザビームを基板１上の非晶質シリコン膜に照射することで、非晶質シリコン膜表面の微小な凹凸で散乱されて励起された表面電磁波と矩形レーザビームとが干渉して生じる非晶質シリコン膜上の定在波に対応して長辺方向に周期的なエネルギー分布が発生する。図６（Ａ）は、この定在波に対応する長辺方向の周期的なエネルギー分布を示している。
【００４５】
非晶質シリコン膜には、この周期的なエネルギー分布に対応して周期的な温度分布が生じる。従って、溶融シリコンの凝固過程において、核発生の臨界温度まで冷却された箇所に結晶粒の核が発生する。この核の発生箇所は、温度のより低い箇所であり、具体的には、図６（Ｂ）に示すように、図６（Ａ）の周期的エネルギー分布の谷の位置である。この核発生箇所から核が周辺の温度の高い部分に向かって成長して互いの結晶がぶつかりあい成長が止まった箇所が結晶粒界となる。結果的に、結晶粒が、図６（Ｃ）に示すようにエネルギー分布に依存した周期的な位置にできることになり、長辺方向の結晶粒の寸法が均一になる。
【００４６】
このように矩形レーザを照射しながら、基板１を短辺方向に搬送して非晶質シリコン膜全体を矩形レーザビームで照射する。この時、レーザビームの長辺方向のエネルギー分布は時間的に変化しないため、長辺方向に等間隔の結晶をシリコン膜全体にわたって形成することができる。
【００４７】
また、定在波のエネルギー周期は矩形レーザビームの波長程度になる。従って、照射に用いる矩形レーザビームの波長を選択することで、長辺方向の所望の結晶粒寸法を得ることができる。
【００４８】
また、矩形レーザビームのエネルギー密度を変化させることによっても、形成される結晶粒の寸法を調整することができる。図７は、電場の向きが長辺方向であり波長が１μｍの矩形レーザビームをエネルギー密度４５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２で非晶質シリコン膜に垂直に照射して得られた多結晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している。一方、図８は、電場の向きが長辺方向であり波長が１μｍの矩形レーザビームを５００ｍＪ／ｃｍ２より大きいエネルギー密度で非晶質シリコン膜に垂直に照射して得られた多結晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している。図７では、長辺方向の結晶粒寸法は１．０μｍ程度であるのに対して、図８では、長辺方向の結晶粒寸法は１．５μｍ程度である。この実験結果から分かるように、エネルギー密度を増加すると、上述の定在波のエネルギー周期よりも大きい寸法の結晶粒が得られる。
【００４９】
なお、直線偏光レーザビームの代わりに、長軸が長辺方向を向いた楕円偏光のレーザビームから矩形レーザビームを生成しても、上述と同様の効果が得られる。
【００５０】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態では、レーザアニール装置は第１実施形態のものと同じであるが、偏光素子５の偏光方向が第１実施形態と異なる。第２実施形態では、偏光素子５は、レーザ発振器から出射されたレーザビームを電場が短辺方向を向くように直線偏光させ、その後ビームエキスパンダ７により矩形レーザビームを生成する。このようにして、電場が短辺方向を向いた矩形レーザビームを生成して、非晶質シリコン膜に入射させる。なお、レーザビームを出射させるレーザ発振器と、短辺方向に偏光させる偏光素子５を含む長辺用光学系２及び短辺用光学系４は、短辺偏光ビーム生成手段を構成する。レーザ発振器が短辺方向に直線偏光したレーザビームを出射する場合には、偏光素子５を省略できる。
【００５１】
第１実施形態と同様に図５に示すように、矩形レーザビームが非晶質シリコン基板１上に入射している状態で、短辺方向に基板１を所定速度で移動させる。これにより、非晶質シリコン膜全体に短辺方向に偏光した矩形レーザビームを照射する。
【００５２】
非晶質シリコン膜に入射した矩形レーザビームが、非晶質シリコン膜上の微小な凹凸により散乱されて表面電磁波が励起される。この表面電磁波と入射してくる矩形レーザビームとが干渉することで、非晶質シリコン膜表面に短辺方向に定在波が発生する。従って、この定在波は短辺方向に周期的なエネルギーを持つ。一方、入射する矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布は、上述したように図４（Ｂ）に示すようになる。この定在波の周期的なエネルギー分布と矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を重ね合わせたものが、非晶質シリコン膜上のエネルギー分布になる。図９（Ａ）の実線で表した曲線は、この定在波のエネルギー分布と、入射してくる矩形レーザビームのエネルギー分布（破線で示した曲線）とを合わせたエネルギー分布を示している。
【００５３】
図９（Ａ）のエネルギー分布によって溶融したシリコンの短辺方向には、このエネルギー分布に対応した温度分布が発生する。図９（Ｂ）に示すように、エネルギー分布の谷の位置に結晶核が発生する。その後、短辺方向で結晶核は温度のより高い箇所に向かって成長し、互いの結晶がぶつかり合い、成長が止まった箇所が結晶粒界となる。結果として、図９（Ｃ）に示すように短辺方向に寸法が均一の結晶からなる多結晶又は単結晶シリコン形成される。
定在波のエネルギー周期は矩形レーザビームの波長程度になる。従って、形成される結晶粒の短辺方向の寸法は、定在波の節又は腹の間隔、即ち、矩形レーザビームの半波長程度となる。よって、照射に用いる矩形レーザビームの波長を選択することで、短辺方向の所望の結晶粒寸法を得ることができる。
【００５４】
一方、図３（Ｂ）を参照して上述したように、矩形レーザビームの長辺方向のエネルギーは一定であるので、長辺方向にはランダムな位置に結晶核が発生し、長辺方向にランダムな寸法に成長した結晶粒が形成される。典型的には、長辺方向に成長した結晶粒の寸法は数百ナノメートル程度になる。数百ナノメートル程度の波長を用いることで、長辺方向と短辺方向の結晶粒の寸法を同程度にするこができる。従って、形成される多結晶又は単結晶シリコンの長辺方向の結晶粒寸法程度になるように矩形レーザビームの波長を選択することが好ましい。これにより、図１０に示すような結晶粒寸法を得ることができる。
【００５５】
さらに、第２実施形態によると、非晶質シリコン膜への矩形レーザビームの入射角を調整して基板１を搬送させながら矩形レーザビームを非晶質シリコン膜に入射させると、入射角に応じた短辺方向の結晶粒寸法を得ることができる。即ち、入射角を調整することで、短辺方向の結晶粒寸法を調整することができる。以下、これについて説明する。
【００５６】
図１１（Ａ）のように入射角θを基板１の搬送方向に増加させると、〔数１〕で示すように、この定在波の節又は腹の間隔Ｘは増加する。なお、〔数１〕において、λはレーザビームの波長である。
【数１】
2007110064.tif 000003
【００５７】
一方、図１１（Ｂ）のように入射角θを基板１の搬送方向と反対方向に増加させると、〔数２〕で示すように、この定在波の節又は腹の間隔Ｘは減少する。なお、〔数２〕において、λはレーザビームの波長である。これに関する説明は非特許文献１に記載されている。
【数２】
2007110064.tif 000004
【００５８】
従って、矩形レーザビームの入射角を調整することで、定在波の周期が変化し、短辺方向においてこの定在波のエネルギー周期と同じ寸法の結晶粒からなる多結晶又は単結晶シリコンを形成することができる。このように、矩形レーザビームの入射角を調整して結晶粒の寸法を調整することができる。
【００５９】
矩形レーザビームの入射角を調整するには、光学系側又は基板側を傾けることができる。光学系側を傾ける場合には、例えば、光学系を一体的に構成しておき、光学系全体を揺動装置で傾ける。基板側を傾ける場合には、基板１を搬送する搬送台を揺動装置で傾ける。これらの揺動装置は公知の適切なものであってよい。光学系又は搬送台を傾ける揺動装置は入射角調整手段を構成する。
【００６０】
第２実施形態によると矩形レーザビームの波長を選択する代わりに、又は、矩形レーザビームの波長の選択に加えて、矩形レーザビームが非晶質シリコン膜に入射する角度を調整することで、発生する定在波の波長、即ち、短辺方向の結晶粒寸法を調整することができる。
【００６１】
また、矩形レーザビームのエネルギー密度を変化させることによっても、形成される結晶粒の寸法を調整することができる。図１２は、電場の向きが短辺方向であり波長が１μｍの矩形レーザビームを、エネルギー密度４５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２で、入射角を基板搬送方向へ１０度にして、非晶質シリコン膜に照射して得られた多結晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している。一方、図１３は、電場の向きが短辺方向であり波長が１μｍの矩形レーザビームを、５００ｍＪ／ｃｍ２より大きいエネルギー密度で、入射角を基板搬送方向へ１０度にして、非晶質シリコン膜に垂直に照射して得られた多結晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している。図１２では、短辺方向の結晶粒寸法は１．０μｍ程度であるのに対して、図１３では、短辺方向の結晶粒寸法は１．５μｍ程度である。この実験結果から分かるように、エネルギー密度を増加すると、上述の定在波のエネルギー周期よりも大きい寸法の結晶粒が得られる。
【００６２】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１４は、第３実施形態による進行方向に垂直な断面が矩形の矩形レーザビームを非晶質シリコン膜に照射して多結晶又は単結晶シリコンを形成するレーザアニール装置の構成を示している。このレーザアニール装置は、１対のレーザ発振器２１，２２と、各レーザ発振器２１，２２に対応して設けられる偏光素子２４，２５と、レーザ発振器２１からのレーザビームを反射させる反射ミラー２７と、２つのレーザ発振器２１，２２からのレーザービームを合成するビームスプリッタ２８と、を備える。ビームスプリッタ２８からの合成ビームは、第１実施形態の図１及び図２に示されたものと同様の光学系に入射されて矩形ビームが生成され、この矩形ビームが基板１の非晶質シリコン膜に入射される。図１４では、破線で示すように図１に対応する長辺用光学系２のみを示しており（ただし、図１の偏光素子５は用いない）、短辺用光学系４は図２のものと同じなので省略する。なお、偏光素子２４，２５は偏光手段を構成するが、他の適切なもので偏光手段を構成してもよい。また、第３実施形態で用いている長辺用光学系２及び短辺用光学系４は矩形ビーム生成手段を構成するが、他の適切なもので矩形ビーム生成手段を構成してもよい。ビームスプリッタ２８と反射ミラー２７はビーム合成手段を構成するが、他の適切なものでビーム合成手段を構成してもよい。
【００６３】
第３実施形態によると、偏光素子２４，２５はそれぞれレーザ発振器２１、２２からのレーザビームを直線偏光させる。偏光素子２４による偏光方向は長辺方向であり、偏光素子２５による偏光方向は短辺方向である。
【００６４】
また、第３実施形態にいるレーザアニール装置は、レーザ発振器２１，２２からのレーザパルス出射のタイミングが互いにずれるように、レーザ発振器２１，２２を制御するパルス制御部２９をさらに備える。従って、ビームスプリッタ２８により合成されたレーザビームの偏光方向は長辺方向と短辺方向に交互に切り換わっていることになる。
【００６５】
また、レーザアニール装置は、第１実施形態と同様に、基板１を短辺方向に所定速度で搬送する搬送装置をさらに備える。
【００６６】
電場の向きが交互に切り換わる矩形レーザビームを基板１上の非晶質シリコン膜に入射させながら、基板１を短辺方向に搬送することで、非晶質シリコン膜全体を矩形レーザビームで照射する。
【００６７】
電場が長辺方向を向いた矩形レーザビームによる基板１上の照射箇所の長辺方向エネルギー分布は図６（Ａ）に示されるものと同じであり、電場が短辺方向を向いた矩形レーザビームによる基板１上の照射箇所の短辺方向エネルギー分布は図９（Ａ）に示されるものと同じである。よって、溶融したシリコンの長辺方向及び短辺方向には、それぞれ図６（Ａ）及び図９（Ａ）のエネルギー分布に対応した温度分布が発生する。溶融シリコンの凝固過程において、核発生の臨界温度まで冷却された箇所に結晶粒の核が発生する。結晶格の発生箇所は図６（Ａ）及び図９（Ａ）のエネルギー分布の谷の位置である。これらの結晶核は温度の高い長辺方向及び短辺方向に向かって成長し、結晶が互いにぶつかり合い、成長が止まった箇所が結晶粒界となる。結果として、長辺方向及び短辺方向に寸法が均一の結晶からなる多結晶又は単結晶シリコンが形成される。
【００６８】
なお、電場の向きが長辺方向と短辺方向に交互に切り換わる合成レーザビームの代わりに、円偏光したレーザビームを用いて矩形ビームを生成しても上述と同様の効果が得られる。
【００６９】
また、第３実施形態でも、矩形レーザビームのエネルギー密度を変化させて、結晶粒の寸法を調整してもよい。
【００７０】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
第４実施形態によるレーザアニール装置は、図１４に示す第３実施形態のレーザアニール装置と同様である。
ただし、第４実施形態では、パルス制御部２９は、レーザ発振器２１，２２からのレーザパルス出射のタイミングが互いにずれるように、レーザ発振器２１，２２を制御しなくてもよい。即ち、パルス制御部２９は、レーザ発振器２１、２２からのレーザパルス出射のタイミングを制御するが、レーザ発振器２１、２２からのレーザパルスが互いに重なっていてもよい。また、レーザ発振器２１、２２は、直線偏光を出射するように構成されており、図１４の偏光素子２４、２５が省略することができる。例えば、レーザ発振器２１、２２自体が直線偏光を出射するものであってもよいが、そうでない場合には、レーザ発振器２１、２２に、それぞれ図１４の偏光素子２４、２５が組み込まれている。
【００７１】
第４実施形態によると、第１のレーザ発振器２１からのレーザビームの偏光方向と、第２のレーザ発振器２２からのレーザビームの偏光方向とは、基板１への入射位置において垂直になっているように、レーザアニール装置が設定される。
【００７２】
従って、基板１の非晶質シリコン膜上に互いに垂直な偏光方向に定在波が発生し、図６（Ａ）に示すものと同様な定在波の周期的なエネルギーが生じ、これに対応する温度勾配が生じることになる。
その結果、第３実施形態の場合と同様に、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、互いに垂直な方向に生じる同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、互いに垂直な方向に寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
【００７３】
第４実施形態では、ビームスプリッタ２８と長辺用光学系２及び短辺用光学系４との間に、偏光方向を調節するλ／２波長板などの偏光素子を設けてもよい。この偏光素子により、例えば、図１５（Ａ）のように、レーザビームの偏光方向が長辺方向と短辺方向に向いている状態から、図１５（Ｂ）のように、レーザビームの偏光方向が長辺方向と短辺方向から４５度だけ傾いている状態にすることができる。
【００７４】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１６は、第５実施形態による、進行方向に垂直な断面が矩形の矩形レーザビームを非晶質シリコン膜に照射して多結晶又は単結晶シリコンを形成するレーザアニール装置の構成を示している。
このレーザアニール装置は、第４実施形態と同様のレーザ発振器２１と、レーザ発振器２１からの直線偏光レーザビームを円偏光にするλ／４波長板３１と、λ／４波長板３１からのレーザビームを矩形レーザビームにする上述した長辺用光学系２及び短辺用光学系４（ただし、図１、図２の偏光素子５は用いない）と、を備える。図１６において、簡単のため短辺用光学系４は省略してある。
なお、λ／４波長板は３１、直線偏光レーザビームを円偏光にする円偏光手段を構成するが、他の適切なもので円偏光手段を構成してもよい。また、レーザ発振器２１、円偏光手段、長辺用光学系２及び短辺用光学系４は、円偏光ビーム生成手段を構成するが、他の適切なもので円偏光ビーム生成手段を構成してもよい。
【００７５】
このような構成を有するレーザアニール装置により、基板１の非晶質シリコン膜上に円偏光の矩形レーザビームを入射させる。
これにより、非晶質シリコン膜上で発生する定在波は、光の進行方向に垂直な面で円運動する。これにより、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が半導体膜表面上のすべての方向に均等に生じることになる。
従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザアニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、すべての方向に均等に生じる周期的な温度勾配の影響を受けて成長するので、すべての方向に寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
【００７６】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
第６実施形態によるレーザアニール装置は、上記λ／４波長板３１を除いて図１６に示す第５実施形態のレーザアニール装置と同様である。
第６実施形態によると、レーザアニール装置は、図１６のλ／４波長板３１の代わりに、レーザ発振器２１からの直線偏光レーザビームを無偏光にする偏光解消板を備える。なお、偏光解消板は直線偏光を無偏光にする無偏光手段を構成するが、他の適切なもので無偏光手段を構成してもよい。
【００７７】
この偏光解消板により、レーザ発振器２１からの直線偏光レーザビームを無偏光のレーザビームにすることができる。そして、偏光解消板からの無偏光のレーザビームが長辺用光学系２及び短辺用光学系４を通過して矩形レーザビームになる。従って、無偏光の矩形レーザビームが基板１の非晶質シリコン膜に入射される。
【００７８】
このように、第６実施形態によると、直線偏光したレーザビームを無偏光にして、基板１に入射させるので、基板１の非晶質シリコン膜表面には、定在波が生じない。
従って、結晶粒がランダムな位置に発生し、しかも、結晶粒の成長もランダムな方向に成長するので、ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制される。その結果、半導体膜の結晶粒の寸法が全体として均一化され、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
【００７９】
［その他の実施形態］
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、矩形レーザビームの短辺方向の形状を調整して結晶粒寸法を調整してもよい。この短辺方向の形状調整は、矩形レーザビームの短辺の長さを調整して行ってよい。これにより、短辺方向のエネルギー勾配を小さくすることができ、結晶粒の短辺方向の成長を抑制できる。また、本発明は、非晶質シリコン膜だけでなく、他の非晶質半導体膜にも適用できる。
【００８０】
さらに、上述の実施形態は、非晶質半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又は単結晶半導体膜に改質する場合のものであるが、非晶質半導体膜の代わりに多結晶又は単結晶半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又は単結晶半導体膜の質を向上させてもよい。これにより、長辺方向及び短辺方向の一方又は両方に周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が成長するので、長辺方向及び短辺方向の一方又は両方の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。この場合、本発明は多結晶又は単結晶シリコン膜や他の多結晶又は単結晶半導体膜の質向上に適用できる。ただし、第６実施形態の場合には、ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制されることにより、多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザアニール装置に設けられる長辺用光学系の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるレーザアニール装置に設けられる短辺用光学系の構成図である。
【図３】レーザビームの長辺方向のエネルギー分布を示す図である。
【図４】レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を示す図である。
【図５】矩形レーザビームを照射しながら基板を搬送する動作の説明図である。
【図６】長辺方向に偏光させた矩形レーザビームの照射により、基板表面で発生する長辺方向のエネルギー分布と、形成される結晶粒寸法との関係を示す図である。
【図７】実験により長辺方向に偏光させた矩形ビームを照射して得られた結晶粒寸法の状態図である。
【図８】実験により長辺方向に偏光させた高エネルギー密度の矩形ビームを照射して得られた結晶粒寸法の状態図である。
【図９】短辺方向に偏光させた矩形レーザビームの照射により、基板表面で発生する短辺方向のエネルギー分布と、形成される結晶粒寸法との関係を示す図である。
【図１０】短辺方向に偏光させた矩形レーザビームの照射により得られる結晶粒寸法を示す図である。
【図１１】短辺方向に偏光させた矩形レーザビームを斜めから入射させる場合の説明図である。
【図１２】実験により短辺方向に偏光させた矩形レーザビームを照射して得られた結晶粒寸法の状態図である。
【図１３】実験により短辺方向に偏光させた高エネルギー密度の矩形ビームを照射して得られた結晶粒寸法の状態図である。
【図１４】偏光方向を長辺方向と短辺方向に交互に切り換えて矩形レーザビームを基板に照射するための、第３実施形態によるレーザアニール装置の構成図である。
【図１５】偏光方向の調整を説明するための図である。
【図１６】本発明の第５実施形態によるレーザアニール装置の構成図である。
【図１７】矩形レーザビームの照射により発生する基板上のエネルギー密度と、形成される結晶粒寸法との従来の関係を示す図である。
【図１８】矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を示す図である。
【図１９】従来の方法で得られる結晶粒寸法を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  基板  
２  長辺用光学系
４  短辺用光学系
５、２４、２５  偏光素子
７  ビームエキスパンダ
９  シリンドリカルレンズアレイ
１１  長辺用集光レンズ
１２  短辺用集光レンズ
２１、２２  レーザ発振器
２７  反射ミラー
２８  ビームスプリッタ
２９  パルス制御部
３１  λ／４波長板
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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