(57)【要約】【課題】レーザ光の照射による損傷を抑制して効率的に半導体薄膜を製造することができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供する。【解決手段】少なくとも二種類のレーザ光を照射して前駆体半導体薄膜基板に含まれる固体状態の前駆体半導体薄膜を溶融した後に再結晶化させることによって半導体薄膜を製造する方法であって、前駆体半導体薄膜基板に照射される基準レーザ光の照射部位の反射率を検知する工程と、少なくとも一種類のレーザ光の照射時間を制御する工程と、を含むことを特徴とする半導体薄膜の製造方法と半導体薄膜の製造装置である。【選択図】図１
2007208044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二種類のレーザ光を照射して前駆体半導体薄膜基板に含まれる固体状態の前駆体半導体薄膜を溶融した後に再結晶化させることによって半導体薄膜を製造する方法であって、前記前駆体半導体薄膜基板に照射される基準レーザ光の照射部位の反射率を検知する工程と、前記反射率によって少なくとも一種類のレーザ光の照射時間を制御する工程と、を含むことを特徴とする、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記少なくとも二種類のレーザ光は、固体状態の前記前駆体半導体薄膜を溶融する第一のレーザ光と、溶融した前記前駆体半導体薄膜の再結晶化を遅延させる第二のレーザ光と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記第二のレーザ光を前記基準レーザ光とすることを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記照射部位の反射率が所定の値になった時点で前記第二のレーザ光の照射を停止することによって前記第二のレーザ光の照射時間を制御することを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記第一のレーザ光が紫外域の波長を有し、前記第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有することを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記第二のレーザ光が９μｍ以上１１μｍ以下の範囲内の波長を有することを特徴とする、請求項２から５のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記再結晶化の際に成長する結晶粒は、前記前駆体半導体薄膜の表面に対して略平行に結晶成長することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
少なくとも二種類のレーザ光を照射可能な二つ以上のレーザ光源と、前駆体半導体薄膜基板に照射される基準レーザ光の照射部位の反射率を検知するための検知手段と、前記基準レーザ光の反射率によって少なくとも一種類のレーザ光の照射時間を制御するための制御手段と、を含む、半導体薄膜の製造装置。
【請求項９】
前記二つ以上のレーザ光源が、前記前駆体半導体薄膜基板に含まれる固体状態の前駆体半導体薄膜を溶融するための第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前記前駆体半導体薄膜の再結晶化を遅延させるための第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源と、を含み、前記基準レーザ光が前記第二のレーザ光であって、前記検知手段は前記第二のレーザ光の照射部位の反射率を検知し、前記制御手段は前記第二のレーザ光の照射部位の反射率によって前記第二のレーザ光の照射時間を制御することを特徴とする、請求項８に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記第二のレーザ光の照射部位の反射率が所定の値になった時点で前記第二のレーザ光の照射を停止することによって前記第二のレーザ光の照射時間を制御することを特徴とする、請求項９に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１１】
前記検知手段は、光センサと、前記光センサからの信号を処理するための信号処理回路と、を含み、前記光センサは反射前の第二のレーザ光と反射後の第二のレーザ光とを検知し、前記反射前の第二のレーザ光のパワーを示す信号と前記反射後の第二のレーザ光のパワーを示す信号とをそれぞれ前記信号処理回路に送信し、前記信号処理回路は前記光センサから送信された前記信号を処理することによって前記反射率を示す信号を生成することを特徴とする、請求項９または１０に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１２】
前記第一のレーザ光源は紫外域の波長を有する第一のレーザ光を照射し、前記第二のレーザ光源は可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項９から１１のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１３】
前記第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光は９μｍ以上１１μｍ以下の波長を有することを特徴とする、請求項９から１２のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス半導体薄膜を一旦溶融した後に再結晶化して多結晶半導体薄膜とし、当該多結晶半導体薄膜にトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、アモルファス半導体薄膜に直接トランジスタを形成したアモルファス薄膜トランジスタと比較して、通常、電子移動度が大きいため高速動作が期待でき、液晶デバイスの駆動系のみならずガラス基板上での大規模集積回路を実現できる可能性を有している。
【０００３】
たとえば、多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いた場合には、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成できるだけでなく、画素の周辺部分に駆動回路や一部の周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、これらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いた場合には、トランジスタの寸法を微細化できるので、表示装置の画素部分に形成されるスイッチング素子が小さくなり、表示装置の高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
多結晶シリコン薄膜は、たとえばガラス基板上に気相成長法によって得られたアモルファス半導体薄膜を長時間高温で熱アニールするか、高いエネルギ密度を有するレーザ光などを照射して光アニールすることによって得られる。光アニールは、アモルファスシリコン薄膜のみを融点以上の温度まで高くすることが可能であるため、電子移動度が高い多結晶シリコン薄膜の形成に非常に有効である。また、近年では、エキシマレーザ光を用いてアモルファスシリコン薄膜から多結晶シリコン薄膜を形成する技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００６】
上記エキシマレーザ光を用いた再結晶化技術は一般的にＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法と称され、生産性に優れるレーザ結晶化技術として、工業的に用いられている。ＥＬＡ法は、具体的には、ガラス基板を一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のエキシマレーザ光をガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜にパルス状に照射するものである。この方法によって、多結晶シリコン薄膜が形成される。このとき、エキシマレーザ光を照射した部分のアモルファスシリコン薄膜は、厚さ方向全域にわたって溶融させるのではなく、一部のアモルファス領域を残して溶融させる。そのためレーザ光の照射領域の全面にわたって、いたるところにシリコンの結晶核が発生するので、ガラス基板の表面に対して垂直方向にシリコンの結晶粒が成長する。
【０００７】
ここで、さらに高性能な表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることや、結晶粒の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン薄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。その中でも特に、結晶粒を水平方向に成長させる技術（たとえば特許文献１参照）がある（以下、「スーパーラテラル成長法」と記す）。
【０００８】
これは、まずガラス基板上に形成されたシリコン薄膜に数μｍ程度の微細幅のレーザ光をパルス状に照射し、シリコン薄膜をレーザ光の照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融させた後に凝固させて再結晶化を行なう。これによりガラス基板の表面に対して垂直に形成された溶融部と非溶融部との境界で発生した結晶核から結晶粒が全て水平方向に成長する。その結果、１回のレーザ光の照射により、ガラスの基板の表面に対して平行で、長さが均一な針状の結晶粒が得られる。１回のレーザ光の照射により形成される結晶粒の長さは１μｍ程度であるが、その１回前のレーザ光の照射で形成された針状の結晶粒の一部に重複するように順次レーザ光をパルス状に照射していくことにより、レーザ光の照射により既に成長した結晶粒を引き継いで、より長い針状の結晶粒が得られるといった特徴を有している。
【０００９】
しかしながら、スーパーラテラル成長法においては、１回のレーザ光の照射により形成される針状の結晶粒の長さは１μｍ程度であって非常に短いという問題がある。たとえば結晶粒の長さの２倍以上の領域を溶融させた場合は、図１０の模式的な拡大平面図に示すように、溶融領域の中央部に微細な結晶粒３２が形成される。この微細な結晶粒３２は、ラテラル成長した結晶粒３１ではなく、ガラス基板への熱の流出に支配されて、ガラス基板の表面に対して垂直方向に成長したものである。そのため、溶融領域を拡大することにより、結晶粒の長さが飛躍的に長い針状の結晶粒を得ることはできない。したがって、スーパーラテラル成長法では、０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小なレーザ光の照射送りピッチでレーザ光の照射を繰り返し行ない、既に成長した結晶粒の長さを順次引き継がせて、より長い針状の結晶粒が得られている。このため、表示装置などに用いられるガラス基板の表面全面にわたってシリコン薄膜を再結晶化するには極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題が指摘されている。
【００１０】
そこで、製造効率を向上させることを目的として、１回のレーザ光の照射当たりの結晶粒の成長を促進するため、ガラス基板などの基板をヒータで加熱する方法や、基板もしくは基板上の下地膜をレーザ光で加熱する方法が数多く提案されている。たとえば、特許文献２には、予備加熱用のレーザ光の照射中に溶融用のレーザ光を照射するレーザ加工方法および加工装置が開示されている（以下、「ダブルビーム法」と記す）。
【００１１】
しかしながら、ヒータで基板を加熱する場合、基板の表面の広範囲に対して長時間の温度維持が必要となるので、基板、下地膜または半導体薄膜の変質の原因となる可能性がある。たとえば、レーザ光による加熱の場合には、レーザ光の照射ごとの照射エネルギのばらつきがそのまま温度のばらつきとなり、必要以上に温度が上昇して基板が損傷することがある。特に、ダブルビーム法において、予備加熱用のレーザ光の照射領域の一部が重複する場合には、重複回数が多い箇所において基板が損傷しやすくなる。
【００１２】
そこで、基板の温度を一定に保つために、基板の表面での温度変化を検知して、レーザ光源を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。この特許文献３に記載の技術は、詳しくは、レーザ光の照射部の温度を放射温度計により検知して、その結果に応じてレーザ光を変調するというものである。数マイクロ秒〜１００マイクロ秒のオーダーのパルス幅を有するレーザ光を用いた場合には、基板の温度は急激に上昇する。しかし、温度変化を検知することができる放射温度計の応答速度は、最も速いもので数ミリ秒オーダー（１ミリ秒以上１０ミリ秒未満）程度であるため、急激に上昇する基板の温度を正確に測定することができないという問題点があった。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特許第３２２１１４９号公報
【特許文献３】特許第３２１３３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、レーザ光の照射による損傷を抑制して効率的に半導体薄膜を製造することができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、少なくとも二種類のレーザ光を照射して前駆体半導体薄膜基板に含まれる固体状態の前駆体半導体薄膜を溶融した後に再結晶化させることによって半導体薄膜を製造する方法であって、前駆体半導体薄膜基板に照射される基準レーザ光の照射部位の反射率を検知する工程と、反射率によって少なくとも一種類のレーザ光の照射時間を制御する工程と、を含むことを特徴とする半導体薄膜の製造方法である。
【００１５】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法において、少なくとも二種類のレーザ光は、固体状態の前駆体半導体薄膜を溶融する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化を遅延させる第二のレーザ光と、を含んでいてもよい。
【００１６】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第二のレーザ光を基準レーザ光とすることができる。
【００１７】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、照射部位の反射率が所定の値になった時点で第二のレーザ光の照射を停止することによって第二のレーザ光の照射時間を制御することができる。
【００１８】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第一のレーザ光が紫外域の波長を有し、第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有していてもよい。
【００１９】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第二のレーザ光が９μｍ以上１１μｍ以下の範囲内の波長を有していてもよい。
【００２０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、再結晶化の際に成長する結晶粒は、前駆体半導体薄膜の表面に対して略平行に結晶成長し得る。
【００２１】
さらに、本発明は、少なくとも二種類のレーザ光を照射可能な二つ以上のレーザ光源と、前駆体半導体薄膜基板に照射される基準レーザ光の照射部位の反射率を検知するための検知手段と、基準レーザ光の反射率によって少なくとも一種類のレーザ光の照射時間を制御するための制御手段と、を含む、半導体薄膜の製造装置である。
【００２２】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、二つ以上のレーザ光源が前駆体半導体薄膜基板に含まれる固体状態の前駆体半導体薄膜を溶融するための第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化を遅延させるための第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源と、を含み、基準レーザ光が第二のレーザ光であって、検知手段は第二のレーザ光の照射部位の反射率を検知し、制御手段は第二のレーザ光の照射部位の反射率によって第二のレーザ光の照射時間を制御することができる。
【００２３】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置において、制御手段は、第二のレーザ光の照射部位の反射率が所定の値になった時点で第二のレーザ光の照射を停止することによって第二のレーザ光の照射時間を制御することができる。
【００２４】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置において、検知手段は、光センサと、光センサからの信号を処理するための信号処理回路とを含み、光センサは反射前の第二のレーザ光と反射後の第二のレーザ光とを検知し、反射前の第二のレーザ光のパワーを示す信号と反射後の第二のレーザ光のパワーを示す信号とをそれぞれ信号処理回路に送信し、信号処理回路は光センサから送信された信号を処理することによって反射率を示す信号を生成することができる。
【００２５】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置において、第一のレーザ光源は紫外域の波長を有する第一のレーザ光を照射し、第二のレーザ光源は可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射することができる。
【００２６】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光は９μｍ以上１１μｍ以下の波長を有することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、レーザ光の照射による損傷を抑制して効率的に半導体薄膜を製造することができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２９】
（前駆体半導体薄膜基板）
図１に、本発明において少なくとも二種類のレーザ光が照射される前駆体半導体薄膜基板の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明において「前駆体半導体薄膜基板」は、基板と、レーザ光が照射される前の状態の半導体薄膜である前駆体半導体薄膜と、を含む。図１に示す前駆体半導体薄膜基板５は、絶縁性基板７上にバッファ層８を介して前駆体半導体薄膜６が形成された構造を有している。
【００３０】
前駆体半導体薄膜６としては、任意の半導体材料を用いることができ、たとえば従来より液晶表示装置の製造工程において用いられていて、製造が容易であるという理由から、水和アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をはじめとするアモルファスシリコンを含むシリコンを用いることが好ましいが、多結晶シリコンを含むシリコンであってもよく、微結晶シリコンを含むシリコンであってもよい。また、前駆体半導体薄膜６としては、シリコンのみからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することによって前駆体半導体薄膜６の禁制帯幅を任意に制御することができる。前駆体半導体薄膜６の厚みは３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。前駆体半導体薄膜６の厚みが３０ｎｍ未満である場合には前駆体半導体薄膜６を均一な厚みに形成することが困難となる傾向にあり、２００ｎｍを超える場合には前駆体半導体薄膜６の形成に時間がかかり過ぎる傾向にあるためである。なお、前駆体半導体薄膜６はたとえばＣＶＤ（Chemical
Vapor deposition；化学気相堆積）法などによって形成される。
【００３１】
絶縁性基板７としては、ガラスや石英などを含む材質にて形成された公知の基板を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板を容易に製造することができる点でガラス基板を用いることが好ましい。
【００３２】
また、図１に示す前駆体半導体薄膜基板５において、前駆体半導体薄膜６は絶縁性基板７上にバッファ層８を介して形成されることが好ましい。バッファ層８を形成することにより、レーザ光の照射による溶融および再結晶化の際に、溶融した前駆体半導体薄膜６の熱の影響が絶縁性基板７に及ばないようにすることができる傾向にあり、絶縁性基板７から前駆体半導体薄膜６への不純物拡散を防止することができる傾向にあるためである。バッファ層８としては、酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの材料をＣＶＤ法を用いて形成することができ、特に制限されるものではない。なかでも、絶縁性基板７がガラス基板である場合には、同一成分であって各種物性が等しいことから、バッファ層８は酸化シリコンからなることが好ましい。また、バッファ層８の厚みも特に制限されるものではないが、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。バッファ層８の厚みが１００ｎｍ未満である場合には絶縁性基板７から前駆体半導体薄膜６への不純物の拡散防止効果が不十分となる傾向にあり、５００ｎｍを超えるとバッファ層８の形成に時間がかかり過ぎて製造効率が低下する傾向にあるためである。
【００３３】
（半導体薄膜の製造方法）
図１に示す前駆体半導体薄膜基板５中の前駆体半導体薄膜６には、たとえば、１回の照射で固体状態の前駆体半導体薄膜６を溶融することができる第一のレーザ光と、１回の照射で固体状態の前駆体半導体薄膜６を溶融することはできないが溶融した前駆体半導体薄膜６の再結晶化を遅延させることができる第二のレーザ光と、が照射される。
【００３４】
ここで、第一のレーザ光と第二のレーザ光とは、たとえば図２に示す波形で照射することができる。なお、図２の縦軸はパワーを示し、横軸は経過時間を示している。また、図２中の参照符号１は第一のレーザ光の波形（経過時間に対するパワー変化）を示しており、参照符号２は第二のレーザ光の波形を示している。
【００３５】
図２を参照すると、まず第二のレーザ光がパルス状に照射される。次に、第二のレーザ光の照射中に第一のレーザ光がパルス状に照射される。続いて、第一のレーザ光の照射が完了した後に第二のレーザ光の照射を完了する。これにより、第二のレーザ光の照射によって加熱された固体状態の前駆体半導体薄膜に第一のレーザ光が照射されて前駆体半導体薄膜が溶融し、溶融した前駆体半導体薄膜に第二のレーザ光が照射されることによって前駆体半導体薄膜が再結晶化する時間を遅延させて再結晶化により得られる結晶粒をより長くすることができる。そして、第二のレーザ光の照射を完了した後は、第一のレーザ光および第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜への照射領域と一部接触する位置または一部重複する位置に第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射領域を移動して再度上記と同様にして第一のレーザ光および第二のレーザ光が照射される。そして、上記の第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射と照射領域の移動とが繰り返されることによって、前駆体半導体薄膜の表面に略平行に結晶粒が成長して、より長い結晶粒を得ることができる。
【００３６】
ここで、本発明において、第一のレーザ光としては、固体状態のアモルファスシリコンなどのシリコン薄膜からなる前駆体半導体薄膜によく吸収され、数マイクロ秒〜１００マイクロ秒のオーダーの極めて短時間における１回の照射で固体状態のシリコン薄膜を溶融可能にする観点から、紫外域の波長を有するレーザ光を用いることが好ましい。ここで、紫外域の波長とは、１ｎｍ以上４００ｎｍ未満の波長を意味する。このような第一のレーザ光としては、たとえばエキシマレーザ光、ＹＡＧレーザ光の三倍波に代表される各種固体レーザ光などを好適に用いることができるが、なかでも波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を用いることが特に好適である。また、第二のレーザ光としては、第一のレーザ光の照射によって溶融したシリコン薄膜の再結晶化を遅延可能にする観点から、可視域または赤外域の波長を有するレーザ光を用いることが好ましい。この場合には第二のレーザ光は溶融状態のシリコン薄膜に吸収され、溶融状態のシリコン薄膜の加熱を行なうことができる。ここで、可視域の波長とは、４００ｎｍ以上７５０ｎｍ未満の波長を意味する。また、赤外域の波長とは、７５０ｎｍ以上１ｍｍ以下の波長を意味する。このような第二のレーザ光としては、たとえば５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ光の二倍波、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ光または１０．６μｍの波長を有するＣＯ2レーザ光などを好適に用いることができる。
【００３７】
また、図２に示す波形において、第一のレーザ光のエネルギフルエンスは１５００Ｊ／ｍ2以上３５００Ｊ／ｍ2以下であることが好ましく、２５００Ｊ／ｍ2以上３０００Ｊ／ｍ2以下であることがより好ましい。第一のレーザ光のエネルギフルエンスが１５００Ｊ／ｍ2未満である場合には長い結晶粒を形成することができない傾向にあり、第一のレーザ光のエネルギフルエンスが３５００Ｊ／ｍ2より大きい場合には第一のレーザ光をシリコン薄膜に照射した場合にシリコン薄膜がアブレーションする傾向にある。特に、第一のレーザ光のエネルギフルエンスが２５００Ｊ／ｍ2以上３０００Ｊ／ｍ2以下である場合にはシリコン薄膜をアブレーションさせることなく、より長い結晶粒を形成することができる点で好ましい。
【００３８】
また、図２に示す波形における第二のレーザ光の照射時間が１２０マイクロ秒以上１４０マイクロ秒以下である場合には、第二のレーザ光のエネルギフルエンスは７５００Ｊ／ｍ2以上１００００Ｊ／ｍ2以下であることが好ましく、８０００Ｊ／ｍ2以上９０００Ｊ／ｍ2以下であることがより好ましい。第二のレーザ光のエネルギフルエンスが７５００Ｊ／ｍ2未満である場合には長い結晶粒を形成することができない傾向にあり、第二のレーザ光のエネルギフルエンスが１００００Ｊ／ｍ2より大きい場合には第二のレーザ光をアモルファスシリコンなどのシリコン薄膜に照射した場合にシリコン薄膜がアブレーションする傾向にある。特に、第二のレーザ光のエネルギフルエンスが８０００Ｊ／ｍ2以上９０００Ｊ／ｍ2以下である場合にはシリコン薄膜をアブレーションさせることなく、より長い結晶粒を形成することができる点で好ましい。
【００３９】
図３に、ガラス基板上に酸化シリコンからなるバッファ層を介して形成された水和アモルファスシリコン薄膜からなる前駆体半導体薄膜に第二のレーザ光（波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光）を照射したときのエネルギフルエンス（照射領域の単位面積当たりのエネルギ総注入量；Ｊ／ｍ2）と溶融後に再結晶化して得られた結晶粒の長さとの関係（図３において四角形の位置により表わされている）を示す。図３において、横軸は第二のレーザ光の１回の照射当たりのエネルギフルエンスを示し、縦軸は結晶粒の長さ（μｍ）を示している。図３の横軸においては、左から右へ進むにつれて第二のレーザ光のエネルギフルエンスが増大している。なお、図３における第二のレーザ光のエネルギフルエンスは第二のレーザ光をビームスプリッタにより分岐させた後にエネルギメータに照射することによって熱的な変化をエネルギフルエンスとして測定したものであり、結晶粒の長さは光学顕微鏡を用いた観察によって結晶粒の最大長を測定したものである。
【００４０】
図３を参照すると、第二のレーザ光のエネルギフルエンスが増大するほど、溶融後に再結晶化して得られた結晶粒の長さも長くなり、従来のスーパーラテラル成長法を用いた場合と比べて結晶粒の長さは１０倍以上となる。よって、第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射後の照射領域の移動距離（送りピッチ）も１０倍以上とすることができるため、製造時間が大幅に短縮し、飛躍的に製造効率を向上させることができる。
【００４１】
しかしながら、この場合には、第二レーザ光の照射ごとのエネルギ変動によって、前駆体半導体薄膜基板が損傷してしまう問題がある。
【００４２】
図４に、第二のレーザ光（波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光）の照射ごとのエネルギ変動を測定した結果を示す。図４において、横軸は経過時間（秒）を示し、縦軸は第二のレーザ光の照射ごとのエネルギ（Ｊ）を示している。ここで、第二のレーザ光が周波数３００Ｈｚで照射されている場合には、１回目の照射の時点を経過時間０秒としたとき、３０１回目の照射の時点は、０（秒）＋（３０１−１）×１／３００＝１（秒）となる。図４を参照すると、第二のレーザ光は照射ごとにエネルギがばらついていることがわかる。そして、稀に非常に高いエネルギの第二のレーザ光が照射されていることがわかる。特に、この稀に出射される非常に高いエネルギの第二のレーザ光が前駆体半導体薄膜基板の損傷の原因となる。これは、半導体薄膜の製造工程において、歩留りを低下させる原因となる。
【００４３】
このため、本発明においては、前駆体半導体薄膜基板に基準レーザ光を照射し、基準レーザ光の照射部位の反射率を検知する工程と、反射率によって第二のレーザ光の照射時間を制御する工程と、が少なくとも行なわれる。ここで、基準レーザ光としては、第一のレーザ光および第二のレーザ光以外の第三のレーザ光を用いてもよいが、装置の簡略化のためには第二のレーザ光が基準レーザ光を兼ねることが好ましい。
【００４４】
図５に、本発明における第二のレーザ光（波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光）を水和アモルファスシリコン薄膜からなる前駆体半導体薄膜に照射したときの反射前の波形と反射後の波形とを示す。ここで、図５の縦軸はパワーを示し、横軸は第二のレーザ光の照射時間を示している。図５を参照すると、反射後の波形３は反射前の波形４とは相似になっておらず、反射率（反射後の第二のレーザ光のパワー／反射前の第二のレーザ光のパワー）は第二のレーザ光の照射時間の増大に伴って増大することが示唆される。なお、図５に示されるデータにおいて、反射前の第二のレーザ光のパワーは波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光を減衰光学系を通して波形測定器に照射して得られたものであり、反射後の第二のレーザ光のパワーは波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光をアモルファスシリコン薄膜に照射して反射した光を減衰光学系を通して波形測定器に照射することにより得られたものである。ここで、減衰光学系の減衰率は個々に調整されている。
【００４５】
図６に、図５より求められる反射率と第二のレーザ光の照射時間との関係を示す。図６において縦軸は反射率を示し、横軸は第二のレーザ光の照射時間を示す。図６を参照すると、第二のレーザ光の照射時間の増大に伴って反射率が増大することがわかる。すなわち、第二のレーザ光の照射による温度の上昇に伴って第二のレーザ光の反射率が変化していると考えられる。したがって、この結果から、第二のレーザ光の反射率の変化を検知することによって照射物質の温度変化を検知することができることがわかる。
【００４６】
本発明においては、第二のレーザ光が照射されることによって、前駆体半導体薄膜および前駆体半導体薄膜基板が加熱される。図４に示したように、第二のレーザ光は照射ごとにエネルギが変動し、たとえ第二のレーザ光の照射時間が同じであっても前駆体半導体薄膜および前駆体半導体薄膜基板の最高到達温度は第二のレーザ光の照射ごとに異なるため、前駆体半導体薄膜基板が損傷することがある。
【００４７】
そこで、本発明においては、基準レーザ光を前駆体半導体薄膜基板に照射し、その照射部位の反射率を検知することによってその照射部位の温度変化を検知し、その照射部位の温度が所定の温度（所定の反射率）となった時点で第二のレーザ光の照射を停止する。これにより、前駆体半導体薄膜基板の温度に応じて第二のレーザ光の照射時間が制御されるため、第二のレーザ光の照射による前駆体半導体薄膜基板の損傷を抑制することができるようになる。
【００４８】
一般に、半導体材料や金属材料は、各波長の光に対して所定の反射率を有している。これは反射率が各材料の各波長における屈折率に依存するためである。さらに、屈折率は材料の温度に対して依存性を有している。したがって、反射率は温度依存性を有するため、所定の波長の光の反射率を検知することによって各材料の温度を検知することが可能となる。
【００４９】
本発明者らは、前駆体半導体薄膜基板の波長１０．６μｍの第二のレーザ光に対する反射率は、室温（２５℃）、約３００℃、約６００℃において、それぞれ約１６％、約１９％および約２０％という実験結果を得た。当該反射率は、前駆体半導体基板の温度をあまり上昇させない波長１０．６μｍの第二のレーザ光を斜め方向から照射し、その照射部位の反射前と反射後の第二のレーザ光のエネルギをそれぞれエネルギメータを用いて測定して、反射前の測定値に対する反射後の測定値の比を算出することによって求めた。ここで、前駆体半導体薄膜基板は、ガラス基板上に厚さ１００ｎｍの酸化シリコンからなるバッファ層が形成され、そのバッファ層上に厚さ４５ｎｍの水和アモルファスシリコンからなる前駆体半導体薄膜が形成されたものを用いた。また、室温以外の反射率はヒータで前駆体半導体薄膜基板を加熱しながら測定を実施した。
【００５０】
上記各温度における前駆体半導体薄膜基板の反射後の第二のレーザ光のパワー密度は、（反射前の第二のレーザ光のパワー密度）×（各温度における反射率）により求めることができる。第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ2、パルス幅（照射時間）を１３０マイクロ秒とすると、検知される第二のレーザ光の反射後のパワー密度は室温、約３００℃、約６００℃においてそれぞれ１０．０ＭＷ／ｍ2、１１．９ＭＷ／ｍ2および１２．５ＭＷ／ｍ2となる。この結果より、たとえば、図２に示す波形において、第二のレーザ光の前駆体半導体薄膜基板における照射部位の温度が３００℃のときに第一のレーザ光を照射する場合には、検知された第二のレーザ光の反射後のパワー密度が１１．９ＭＷ／ｍ2になったことを検知した後に第一のレーザ光を照射すればよい。上記の前駆体半導体薄膜基板の照射部位の温度が約３００℃の場合には、その照射部位の温度が約１０℃変位するごとに、反射後の第二のレーザ光のパワー密度は０．０３ＭＷ／ｍ2ずつ変位する。望ましくは、この変位量０．０３ＭＷ／ｍ2を認識して、第二のレーザ光の照射時間を制御できるようにすると精度良く制御することが可能となる。
【００５１】
したがって、本発明には、反射率そのものによってレーザ光の照射時間を制御する場合だけでなく、たとえば上記の反射後の第二のレーザ光のパワー密度のように反射率を利用して得られたものによってレーザ光の照射時間を制御する場合も含まれる。
【００５２】
（半導体薄膜の製造装置）
本発明の半導体薄膜の製造装置は、少なくとも二種類のレーザ光を照射可能な二つ以上のレーザ光源と、前駆体半導体薄膜基板に照射される基準レーザ光の照射部位の反射率を検知するための検知手段と、基準レーザ光の反射率によって少なくとも一種類のレーザ光の照射時間を制御するための制御手段と、を含んでいる。
【００５３】
図７に、本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい一例の構成を概略的に示す。本発明の半導体薄膜の製造装置１０は、二つ以上のレーザ光源として、第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源１１と、第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源１２とを有している。なお、図７に示す本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第二のレーザ光が基準レーザ光を兼ねる。
【００５４】
本発明の半導体薄膜の製造装置１０において、第二のレーザ光源１２から照射された第二のレーザ光は、ビームスプリッタ２５によって２つに分岐される。分岐された一方の第二のレーザ光は検知器２６に入射してそのパワーが検知される。分岐された他方の第二のレーザ光はアッテネータ１４を通過した後、均一照射光学系１６によってパワー密度分布が均一化されて適当な寸法に整形され、マスク１８のパターン形成面に均一に照射される。次いで、マスク１８を通過した第二のレーザ光はミラー２１によって反射され、結像レンズ２４によってマスク１８の像が所定の倍率（たとえば１／４）に結像された状態で前駆体半導体薄膜基板５中の前駆体半導体薄膜に照射され、その照射部位における反射後の第二のレーザ光のパワーが検知器２２によって検知される。ここで、第二のレーザ光源１２としては、たとえば、５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ光の二倍波、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ光または１０．６μｍの波長を有するＣＯ2レーザ光を照射するものが好適に用いられる。
【００５５】
一方、第一のレーザ光源１１から照射された第一のレーザ光は、アッテネータ１３を通過した後、均一照射光学系１５によってパワー密度分布が均一化されて適当な寸法に整形され、マスク１７のパターン形成面に均一に照射される。次いで、マスク１７を通過した第一のレーザ光はミラー２１によって反射され、結像レンズ２０によってマスク１７の像が所定の倍率（たとえば１／４）に結像された状態で前駆体半導体薄膜基板５中の前駆体半導体薄膜の表面に垂直に照射される。ここで、第一のレーザ光源１１としては、たとえば、エキシマレーザ光、ＹＡＧレーザ光に代表される各種固体レーザ光を照射可能な光源を好適に用いることができる。なかでも第一のレーザ光源１１としては、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を照射する光源が特に好適である。また、第一のレーザ光源１１としては、第一のレーザ光をパルス状に照射することができる光源であることが好ましい。
【００５６】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置１０において、前駆体半導体薄膜基板５は水平方向に所定速度で移動可能なステージ１９上に設置されている。また、上記においてミラー２１の数量に制限はなく、また設置箇所についても適宜設定することができる。
【００５７】
さらに、本発明の半導体薄膜の製造装置１０は、第二のレーザ光の反射前のパワーを検知可能な検知器２６と、第二のレーザ光の反射後のパワーを検知可能な検知器２２と、信号処理回路２７と、からなる検知手段を備えている。ここで、検知器２６は、検知した第二のレーザ光の反射前のパワーを示す信号を生成して信号処理回路２７にその信号を送信することができる。また、検知器２２は、検知した第二のレーザ光の反射後のパワーを示す信号を生成して信号処理回路２７にその信号を送信することができる。そして、信号処理回路２７は、検知器２２、２６からそれぞれ送信された信号を受信し、これらの信号を処理することによって第二のレーザ光の反射率を示す信号を生成する。
【００５８】
ここで、検知器２２、２６としてはたとえば光センサまたは焦電センサなどを用いることができる。なかでも、検知器２２、２６としては高速応答性に優れた光センサを用いることが好ましい。光センサとしては、たとえば感光部がシリコンにより構成されているものを用いてもよい。また、第二のレーザ光として、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光を用いる場合には感光部がＡｇＯＣｓ若しくはＩｎＧａＡｓにより構成されている光センサを用いることが好ましい。また、第二のレーザ光として波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光を用いる場合には感光部がＨｄＣｄＺｎＴｅにより構成されている光センサを用いることが好ましい。なお、図７に示す検知器２２、２６として、具体的にはＶｉｇｏ Ｓｙｓｔｅｍ社製のＰＤ−１０．６  Ｓｅｒｉｅｓ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ＣＯ2Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ（感光部：ＨｄＣｄＺｎＴｅ、立ち上がり時間：約１ナノ秒以下）を用いた。また、センサは所定のレーザ耐力を有することから、減衰光学系（図示せず）を有することが好ましい。
【００５９】
さらに、本発明の半導体薄膜の製造装置１０は、信号処理回路２７に接続されている制御手段２３を含んでいる。ここで、制御手段２３は、信号処理回路２７によって生成された信号を信号処理回路２７から受信することができる。そして、制御手段２３は、第一のレーザ光源１１および第二のレーザ光源１２に接続されており、信号処理回路２７から受信された信号に基づいて第二のレーザ光の照射時間を制御することができる。また、制御手段２３は、第二のレーザ光の照射時間だけでなく、第一のレーザ光および／または第二のレーザ光のパワーまたは照射タイミングなどの条件についても適宜制御することができる。
【００６０】
図８に、図７に示す制御手段２３の模式的な構成図を示す。図８において、制御手段２３は、コンパレータ２８と、第１パルス発生回路２９と、第二パルス発生回路３０とを含んでいる。
【００６１】
図９に、制御手段２３における信号のタイミングチャートの一例を示す。ここで、信号４１は図８に示す第１パルス発生回路２９から第二パルス発生回路３０に送信される第二レーザ光の照射を開始するための信号である。信号４２は、図８に示す第二パルス発生回路３０から第二のレーザ光源１２に送信される第二レーザ光の照射を制御するための信号である。信号４３は、図７に示す検知器２６から信号処理回路２７に送信される反射前の第二のレーザ光のパワーを示す信号である。信号４４は、図７に示す検知器２２から信号処理回路２７に送信される反射後の第二のレーザ光のパワーを示す信号である。信号４５は、図８に示す信号処理回路２７からコンパレータ２８に送信される第二のレーザ光の反射率を示す信号である。信号４６は、コンパレータ２８から第二パルス発生回路３０に送信される第二レーザ光の照射を停止するための信号である。
【００６２】
図９に示すように、まず、図８に示す第１パルス発生回路２９から第二パルス発生回路３０に第二のレーザ光の照射を開始するための信号４１が送信される。次に、第二パルス発生回路３０から第二のレーザ光源１２に第二のレーザ光の照射を開始するための信号４２が送信され、第二のレーザ光源１２から第二のレーザ光が照射される。次いで、照射された第二のレーザ光は図７に示すビームスプリッタ２５で分岐され、分岐された第二のレーザ光が検知器２６に入射し、検知器２６において反射前の第二のレーザ光のパワーを示す信号４３が生成されて信号処理回路２７に送信される。続いて、反射後の第二のレーザ光が検知器２２に入射し、検知器２２において反射後の第二のレーザ光のパワーを示す信号４４が生成されて信号処理回路２７に送信される。次いで、信号処理回路２７において、反射前の第二のレーザ光のパワーを示す信号４３と反射後の第二のレーザ光のパワーを示す信号４４とから第二のレーザ光の反射率を示す信号４５が生成され、コンパレータ２８に送信される。そして、コンパレータ２８において、受信した信号４５が、コンパレータ２８に設定されている所定の電圧値４７（第二のレーザ光の照射による前駆体半導体薄膜基板の損傷を抑制することができる反射率を示す電圧値）を超えたときに、コンパレータ２８から第二パルス発生回路３０に第二レーザ光の照射を停止する信号４６が送信される。その後、第二パルス発生回路３０から第二のレーザ光源１２に第二レーザ光の照射を停止する信号４２が送信されて第二レーザ光の照射が停止する。
【００６３】
なお、図示はしていないが、制御手段２３は、ステージ１９の位置の制御、第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射目標位置の記憶、製造装置１０の内部の温度制御および雰囲気制御を行なうことができるように構成されていることが好ましい。
【００６４】
また、上記においては、第二のレーザ光を基準レーザ光として用いた場合について説明したが、第一のレーザ光および第二のレーザ光以外の第三のレーザ光を照射する第三のレーザ光源をさらに備え、検知手段として第三のレーザ光の波長に対応してパワーを検知可能なセンサを用いてもよいことは言うまでもない。この場合、第三のレーザ光としては、前駆体半導体薄膜基板の温度変化に対してより反射率が大きく変化する波長を有するものが好ましい。たとえば、基準レーザ光として５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ光と１０．６μｍの波長を有するＣＯ2レーザ光とを比較した場合、本発明者らの実験結果より、前駆体半導体薄膜基板の温度が約３００℃の場合、前駆体半導体薄膜基板の温度が約１０℃変位したときの反射率の変化量はそれぞれ０．０７％および０．０９％であった。単位上昇温度あたりの反射率の変化量が大きい方が、温度差を検知しやすいことから、ＹＡＧレーザ光よりはＣＯ2レーザ光を用いることが好ましいと考えられる。また、この場合、光センサとしては、ＣＯ2レーザ光のパワーを検知することができる感光部がＨｄＣｄＺｎＴｅにより形成されたものを用いるのが好ましい。
【００６５】
このように本発明においては、前駆体半導体薄膜基板中の前駆体半導体薄膜の表面に対して垂直に第一のレーザ光が照射されることによって前駆体半導体薄膜が前駆体半導体薄膜の表面に対して垂直に溶融する。そして、溶融した前駆体半導体薄膜は前駆体半導体薄膜の非溶融部分の表面から前駆体半導体薄膜の表面に対して略平行に結晶が成長するように固化して再結晶化する。このとき、第二のレーザ光を照射して再結晶化を遅延することによって、より長い針状の結晶粒を得ることができるとともに、本発明のように第二のレーザ光の照射時間を制御することによって前駆体半導体薄膜基板の照射による損傷を抑制することができる。
【００６６】
なお、上記においては、結晶粒を前駆体半導体薄膜の表面に対して略平行に成長させる場合について説明したが、本発明は結晶粒を前駆体半導体薄膜の表面に対して垂直方向に成長する場合にも応用可能である。
【００６７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、たとえば多結晶シリコン半導体薄膜からなるゲート絶縁膜の形成に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明において、少なくとも二種類のレーザ光が照射される前駆体半導体薄膜基板の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】本発明において、前駆体半導体薄膜に照射される第一のレーザ光および第二のレーザ光の波形（経過時間に対するパワー変化）の一例を示した図である。
【図３】ガラス基板上に酸化シリコンからなるバッファ層を介して形成された水和アモルファスシリコン薄膜からなる前駆体半導体薄膜に第二のレーザ光を照射したときのエネルギフルエンスと溶融後に再結晶化して得られた結晶粒の長さとの関係を示す図である。
【図４】第二のレーザ光の照射ごとのエネルギ変動を測定した結果を示す図である。
【図５】本発明において、第二のレーザ光を水和アモルファスシリコン薄膜からなる前駆体半導体薄膜に照射したときの反射前の波形と反射後の波形とを示す図である。
【図６】図５より求められる反射率と第二のレーザ光の照射時間との関係を示す図である。
【図７】本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい一例の構成を概略的に示す図である。
【図８】図７に示す制御手段の模式的な構成図である。
【図９】本発明において用いられる制御手段における信号のタイミングチャートの一例である。
【図１０】従来のスーパーラテラル成長法において形成される結晶粒の一例の模式的な拡大平面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  第一のレーザ光の波形、２  第二のレーザ光の波形、３  反射後の波形、４  反射前の波形、５  前駆体半導体薄膜基板、６  前駆体半導体薄膜、７  絶縁性基板、８  バッファ層、１０  製造装置、１１  第一のレーザ光源、１２  第二のレーザ光源、１３，１４  アッテネータ、１５，１６  均一照射光学系、１７，１８  マスク、１９  ステージ、２０，２４  結像レンズ、２１  ミラー、２２，２６  検知器、２３  制御手段、２５  ビームスプリッタ、２７  信号処理回路、２８  コンパレータ、２９  第１パルス発生回路、３０  第２パルス発生回路、３１  結晶粒、３２  微細な結晶粒、４１，４２，４３，４４，４５，４６  信号、４７  所定の電圧値。
【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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