(57)【要約】      （修正有）【課題】２種のレーザビームを用いた結晶成長において、結晶粒長が不均一になる問題を解決できるマスク、方法、および装置を提供する。【解決手段】非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のレーザビームを照射して、第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化した後、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域に距離移動し、第２領域内に第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、第１のレーザビームと照射すべき領域の移動とを繰り返し行う方法であり、当該マスクは、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有する。【選択図】図１
2007207896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質材料からなる層に、レーザビーム投影マスクによって投影された第１のレーザビームと該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射して前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法に用いられるレーザビーム投影マスクであって、
当該レーザ加工方法は、非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のレーザビームを照射して、第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化した後、第１のレーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定めされる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層上における第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行なう方法であり、
当該マスクは、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものである、レーザビーム投影マスク。
【請求項２】
該マスクの透過エリアは、マスク透過率が予め定られるレーザビーム照射領域の移動方向に対して段階的に増加して変化するように形成されたものである、請求項１に記載のレーザビーム投影マスク。
【請求項３】
該マスクの透過エリアは、マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して徐々に増加して変化するように形成されたものである、請求項１に記載のレーザビーム投影マスク。
【請求項４】
該マスクの透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザビーム投影マスク。
【請求項５】
該マスクの透過エリアを構成する複数の短矩状スリットはいずれも大きさが等しく設定され、かつ透過エリア内をレーザ光の解像限界以下のパターンにより形成することで、前記短矩状スリットの透過率を変化させるように形成されたものである、請求項４に記載のレーザビーム投影マスク。
【請求項６】
非晶質材料からなる層に、レーザビーム投影マスクによって投影された第１のレーザビームと該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、
前記非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化した後、第１のレーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上における第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行なう方法であり、
レーザビーム投影マスクとして、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものを用いることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】
該マスクの透過エリアは、マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動
方向に対して段階的に増加して変化するように形成されたものである、請求項６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
該マスクの透過エリアは、マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して徐々に増加して変化するように形成されたものである、請求項６に記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記マスクの透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されているレーザビーム投影マスクを用いることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記マスクの透過エリアを構成する複数の短矩状スリットはいずれも大きさが等しく設定され、かつ透過エリア内をレーザ光の解像限界以下のパターンにより形成することで、前記短矩状スリットの透過率を変化させるように形成されたものである、請求項９に記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有し、
前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第１の移動方向に対して段階的に増加する第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して段階的に増加する第２のレーザビーム投影マスクを用いることを特徴とする、請求項６、７、９、１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有し、
前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第１の移動方向に対して徐々に増加する第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して徐々に増加する第２のレーザビーム投影マスクを用いることを特徴とする、請求項６、８〜１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の方法に用いられるレーザ加工装置であって、
前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際に用いられる第１のレーザビーム投影マスクと、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際に用いられる第２のレーザビーム投影マスクの２種類のマスクを保持する保持手段と、
前記第１のレーザビーム投影マスクと前記第２のレーザビーム投影マスクを切り換えるための移動手段とを備える、レーザ加工装置。
【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などに半導体材料として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レーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコン（Ｓｉ）材料を用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上にシリコン薄膜を形成したシリコン薄膜を用いる製造方法がある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いることによって製造された半導体デバイスは、イメージセンサや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る。
【０００３】
ここで、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ＴＦＴ（Thin Film Transistor；薄膜トランジスタ）として用いられる。そして、上記ＴＦＴの各トランジスタは、液晶表示装置における画素コントローラとして作用する。なお、従来、液晶表示装置のＴＦＴは、非晶質シリコン膜により形成されている。
【０００４】
ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の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ようになってきている。ここで、多結晶シリコン膜を製造する方法として、例えば、基板上に堆積している非晶質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（ＥＬＣ；Excimer Laser Crystallization）する方法がある。
【０００５】
上記ＥＬＣ法は、サンプルに対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームを半導体膜上に連続的に照射する方法が一般的である。このときレーザを照射した部分の半導体膜は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の半導体膜領域を残したまま溶融する。このため、未溶融領域／溶融領域界面全域において、いたるところに結晶核が発生し、半導体膜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ため、結晶粒径は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ためポテンシャル障壁を形成し、キャリアの強い散乱体として作用する。したがって結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電荷移動度は高くなる。
【０００７】
しかしながら、従来のＥＬＣ法では、上述のように、未溶融領域／溶融領域界面のランダムな位置において結晶化が起こる縦方向結晶成長であり、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることは難しいため、電荷移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。また、ランダムに結晶化するため、各ＴＦＴ相互間で構造の不均一性が生じると共に、ＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じてしまうという不具合が生じていた。さらに、このような不具合により、ＴＦＴ液晶表示装置において、１つの表示画面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するという問題が生じていた。
【０００８】
さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすることや、シリコン結晶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。
【０００９】
その中でも特に、「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ため、注目を集めている（たとえば、特許文献１を参照。）。
【００１０】
従来の典型的な結晶化方法は、たとえば、図１１に示すようなレーザ加工装置によって、微細幅のパルスレーザを半導体に照射し、半導体膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行なうものである。図１１に示す例のレーザ加工装置によれば、たとえば、光源１１１から出射したエキシマレーザが、可変減衰器１１２、焦点視野レンズ１１３、レーザビーム投影マスク１１４および結像レンズ１１５を順次通過後、ステージ１１６上に載置された半導体素子１０１の上面に照射される。また、レーザ光の照射は、コントローラ１１７によって制御されるように構成される。ここで、半導体素子１０１は、たとえば、図１２に示すように透明基板１０２上に積層された下地膜１０３および半導体膜１０４で構成されたものを用いる。
【００１１】
以下、上記方法の手順を示す、まず、図１２に示すように、透明基板１０２の半導体膜１０４の延設方向（図１２中ＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、半導体膜１０４内の領域Ｃを加熱する。具体的には、半導体膜１０４の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、半導体膜１０４をレーザ露光することにより行なわれる。これにより、領域Ｃに照射されたレーザ光のエネルギーが熱エネルギーに変換され、半導体膜１０４内の領域Ｃを、その厚さにわたって溶融することができる。
【００１２】
次に、領域Ｃにて溶融されている半導体膜１０４を冷却することにより凝固させると、図１３（ａ）に示すように、領域Ｃとそれ以外の領域との境界から、領域Ｃの中心に向かうようにして、結晶が成長する。なお、図１３（ａ）は、図１２における半導体膜１０４の上面図である。
【００１３】
さらに、図１３（ｂ）に示すように、領域Ｃ内の結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｃと隣り合う新たな領域Ｄを設定し、上記手順と同様に領域Ｄを溶融する。そして、上記同様、領域Ｄにて溶融されている半導体膜１０４を凝固させると、図１３（ｃ）に示すように、領域Ｄ内に結晶が成長する。
【００１４】
このような手順を繰り返し、所望の結晶を半導体膜１０４に延設方向に沿って段階的に形成させることで、図１３（ｄ）に示すように、多結晶構造の半導体結晶を拡大させることができる。これにより、結晶粒の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００１５】
他にも、たとえば、特許文献２、３においては、少なくとも２本のレーザビームを用い、第１のレーザはアモルファスシリコンを溶融・再結晶させ、第２のレーザは、第１のレーザよりもアモルファスシリコン膜への吸収が小さく、ガラス基板を加熱・保温することを目的として照射し、第１のレーザ照射によるアモルファスシリコン膜の溶融時間を長くすることで、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることを目的とした技術が開示されている。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特許第３２１３３３８号公報
【特許文献３】特許第３２２１１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
入射されるレーザ光のエネルギーは、理想的には、図１４に示すようにレーザビームは均一光学系によって均一なビーム形状に変形されて入射され、レーザビーム投影マスクに形成されるスリット形状（特にスリット幅）は、図１５（ａ）、図１６（ａ）に示すように均一に形成され、これらにより均一な結晶粒長を得る（図１５（ｂ）、図１６（ｂ））ことで、等速もしくは等幅のステップ移動が可能となっている。
【００１７】
しかしながら、上述した先行技術には、以下のような問題がある。レーザビームは均一光学系によって均一なビーム形状に変形されて入射されることにより、均一な結晶粒長を得るように設計されているが、結晶化そのものに関わるパラメータはレーザによって発生した熱であり、結晶化領域を引き継ぐために高速で走査すると、結晶化領域上での光の分布と温度の分布が必ずしも一致せず均一な結晶粒長が得られないという問題点がある。特に、少なくとも２本のレーザビームを用い、第１のレーザはアモルファスシリコンを溶融・再結晶化させ、第２のレーザは、第１のレーザよりもアモルファスシリコン膜への吸収が小さく、ガラス基板を加熱・保温することを目的として照射し、第１のレーザ照射によるアモルファスシリコン膜の溶融時間を長くすることで、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくする方法を用いた場合においては、結晶化領域を引き継ぐための高速走査時に、光の分布と温度の分布とが一致せず、均一な結晶粒長が得られないという問題がさらに顕著に現れる。
【００１８】
具体的に例示すると、図１７（ａ）に示すような強度分布が均一な第１のレーザ光と、必要に応じて第１のレーザ光よりもアモルファスシリコン膜への吸収が小さく、ガラス基板を加熱・保温するための第２のレーザ光とを、図１７（ｂ）に示す投影マスクによるスリットを用いて、スリットの長さ方向（図中Ａの方向）に、図中（１）〜（４）で構成されているスリット群１つ分の幅ｄだけ基板のステップ移動を行って結晶化を行なう。この際、（１）〜（４）のスリット群で構成された領域は、それぞれレーザ照射回数が異なることになる。すなわち、スリット群（４）で構成された領域は、既に（１）〜（３）のスリット群により照射された後に照射されるため、これらの熱影響を受けた状態での照射となる。したがって、レーザビームの強度分布が均一に照射されても、基板上の温度分布としては不均一になることがある。図１７（ｃ）は、上記方法を用いて結晶化を行った際の、各スリット群によりレーザ照射された基板上の領域における、温度分布を表したものである。図１７（ｃ）より、各スリット群により照射された領域において基板温度が異なっており、重ね合わせ回数の増加に伴い基板温度は上昇し、これに伴い結晶粒長も増加することが分かる。図１８は基板温度と結晶粒長との関係を示している。図１７（ｃ）のスリット群（１）を通じて照射された領域の基板温度Ｔ１付近と、スリット群（４）を通じて照射された領域の基板温度Ｔ４付近とでは、結晶粒長が著しく異なり、レーザ照射領域内で均一な結晶粒長が得られなくなる。
【００１９】
また、均一な結晶粒長が得られない場合は、引継ぎを問題なく行なうためにスリット幅を結晶粒長の最小値に合わせる必要があるが、この状態で結晶粒長が拡大されると結晶表面の凹凸が激しくなる、結晶方位が乱れるなど、結晶性が悪くなるという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、非晶質材料からなる層に、レーザビーム投影マスクによって投影された第１のレーザビームと該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射して前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法に用いられるレーザビーム投影マスクであって、当該レーザ加工方法は、非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のレーザビームを照射して、第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化した後、第１のレーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定めされる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第１のレーザビームを照
射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層上における第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行なう方法であり、当該マスクは、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものである、レーザビーム投影マスクを提供する。
【００２１】
本発明のレーザビーム投影マスクは、その透過エリアが、（１）マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して段階的に増加して変化するように形成されたものであるか、または、（２）マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して徐々に増加して変化するように形成されたものであることが、好ましい。
【００２２】
本発明のレーザビーム投影マスクは、透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されていることが、好ましい。
【００２３】
また本発明のレーザビーム投影マスクは、透過エリアを構成する複数の短矩状スリットはいずれも大きさが等しく設定され、かつ透過エリア内をレーザ光の解像限界以下のパターンにより形成することで、前記短矩状スリットの透過率を変化させるように形成されたものであることが、好ましい。
【００２４】
本発明はまた、非晶質材料からなる層に、レーザビーム投影マスクによって投影された第１のレーザビームと該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、前記非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化した後、第１のレーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上における第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行なう方法であり、レーザビーム投影マスクとして、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものを用いることを特徴とするレーザ加工方法をも提供する。
【００２５】
本発明のレーザ加工方法において用いられるレーザビーム投影マスクは、その透過エリアが、（１）マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して段階的に増加して変化するように形成されたものであるか、または、（２）マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して徐々に増加して変化するように形成されたものであることが、好ましい。
【００２６】
本発明のレーザ加工方法においては、前記マスクの透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されているレーザビーム投影マスクを用いることが、好ましい。
【００２７】
また本発明のレーザ加工方法は、前記マスクの透過エリアを構成する複数の短矩状スリットはいずれも大きさが等しく設定され、かつ透過エリア内をレーザ光の解像限界以下のパターンにより形成することで、前記短矩状スリットの透過率を変化させるように形成されたものであることが、好ましい。
【００２８】
本発明のレーザ加工方法は、以下の（１）または（２）であることがより好ましい。
（１）繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有し、前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第１の移動方向に対して段階的に増加する第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して段階的に増加する第２のレーザビーム投影マスクを用いる、
（２）繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有し、前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第１の移動方向に対して徐々に増加する第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して徐々に増加する第２のレーザビーム投影マスクを用いる。
【００２９】
本発明はまた、上述した好ましい本発明のレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置であって、前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際に用いられる第１のレーザビーム投影マスクと、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際に用いられる第２のレーザビーム投影マスクの２種類のマスクを保持する保持手段と、前記第１のレーザビーム投影マスクと前記第２のレーザビーム投影マスクを切り換えるための移動手段とを備える、レーザ加工装置をも提供する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のレーザビーム投影マスクによれば、形成された透過エリアの透過率が照射領域の移動方向に対して、高くなるように変化していることを特徴としているので、基板上の全てのレーザビーム照射領域において均一な結晶粒長が得られる。このことにより、このような本発明のレーザビーム投影マスクを用いた本発明のレーザ加工方法では、結晶表面の凹凸が低減し、結晶方位が均一となるため、結晶性が非常に良好な半導体薄膜を得ることができる。
【００３１】
また、本発明の好ましいレーザ加工方法では、繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有するレーザ加工方法において、前記第１の移動方向に対して高くなる第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して高くなる第２のレーザビーム投影マスクを用いることで、加工時間を短縮できるため、半導体薄膜の製造効率をさらに向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明のレーザビーム投影マスクは、非晶質材料からなる層に、レーザビーム投影マスクによって投影された第１のレーザビームと該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射して前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法に用いられるものである。当該レーザ加工方法は、まず、非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対し第１のレーザビームを照射して、第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する。次に、第１のレーザビームが照射される
べき領域を予め定められる方向に予め定めされる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する。そうして、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層上における第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行なう。
【００３３】
図２は、上述したレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置の好ましい一例を模式的に示す図である。図２に示す装置においては、第１のレーザ発振器１１より出射された第１のレーザビーム１８がレーザビーム投影マスク１４によって投影されて半導体素子１の上面に照射され、また第２のレーザ発振器２０により出射された第２のレーザビーム１９は前記マスク１４を通過することなく半導体素子１の上面に照射されるように構成される。図３に示す例の装置において、第１のレーザビーム１８は、第１のレーザ発振器１１より出射された後、可変減衰器１２、焦点視野レンズ１３を通過後、レーザビーム投影マスク１４を通り、結像レンズ１５を通って、半導体素子１の表面に対し垂直な方向から入射するように構成される。本発明では、このレーザビーム投影マスク１４として、後述する本発明のレーザビーム投影マスクを用いる。また図２の例では、第２のレーザビーム１９は、斜方向より半導体素子１に入射するように構成される。レーザビームの照射は、コントローラ１７によって制御されるように構成される。
【００３４】
第１のレーザビーム１８は、第２のレーザビーム１９よりも固体状態にある半導体膜への吸収率が高い範囲の波長を有するものを用いることが好ましい。より具体的には、第１のレーザビーム１８は、紫外域の波長を有することが好ましい。たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスが挙げられる。また、第１のレーザビーム１８は、固体状態にある半導体膜を溶融させるエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないため、適宜適当なエネルギー量を有する第１のレーザ光１８を用いることが望ましい。具体的には、半導体膜を、全膜厚において融点以上の温度に加熱することのできるエネルギー量を有する第１のレーザビーム１８を用いることが推奨される。
【００３５】
さらに、第２のレーザビーム１９は、第１のレーザビーム１８よりも液体状態にあるこの半導体膜への吸収率が高い範囲の波長を有することが好ましい。具体的には、第２のレーザビーム１９は、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。たとえば、波長５３２ｎｍ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。また、第２のレーザビーム１９は、固体状態にある半導体膜を溶融させないエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないため、適宜適当なエネルギー量を有する第２のレーザ光１９を用いることが望ましい。具体的には、第２のレーザビーム１９を単独で照射した場合には、半導体膜を、融点以上の温度に加熱することのできないエネルギー量を有する第２のレーザビーム１９を用いることが推奨される。
【００３６】
第１のレーザ発振器１１は、レーザビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であるレーザ発振器であれば、特に限定されるものではないが、たとえば、エキシマレーザ、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ることが望ましい。なお、これらの中でも、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が特に好ましい。第２のレーザ発振器２０は、溶融シリコンをはじめとする溶融状態の半導体膜に吸収される波長を有するレーザビーム１９を放射することができることが望ましい。
【００３７】
ここで、第１のレーザビーム１８は、たとえば所定のパターンを形成したマスクの像を半導体膜上に第１のレーザビーム１８の照射領域として縮小投影するように照射されてもよい。この際、第２のレーザビーム１９の照射領域は、第１のレーザ光１８の照射領域を包含する、第１のレーザビーム１８の照射領域より広い面積を有する照射領域であることが好ましい。さらに、この場合には、第２のレーザビーム１９は、少なくとも半導体膜が溶融している間にも照射することが望ましい。
【００３８】
図３は、本発明における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係の一例を模式的に示すグラフである。第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係は、図３に示す関係と同様の関係にあることが好ましいが、特にこのような関係にあることを限定するものではない。ここで、第１のレーザビームのパルス波形２１は、時刻ｔ＝ｔ１に第１のレーザビームの照射を開始することを示し、第２のレーザビームのパルス波形２２は、第２のレーザビームが、時刻ｔ＝ｔ０〜ｔ２において放射されることを示している。なお、時刻ｔ１〜ｔ２において、半導体膜は溶融状態にある。この液体状態にある半導体膜（前駆体半導体膜）に対し、第１のレーザビームに加えて第２のレーザビームの照射を行なうことにより、前駆体半導体膜の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるため、液体状態にある前駆体半導体膜の固化により生成する半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【００３９】
しかし、ラテラル成長距離を大幅に延ばすためにはレーザ照射時の温度が高くなり、これに伴って複数回照射後の温度分布が大きくなる。たとえば、図４（ａ）は第１のレーザビームとしてエキシマレーザを用い、第２のレーザビームとして炭酸ガスレーザを用いた場合のそれぞれのビーム形状を示している。図４（ａ）に示す例において、第２のレーザビームである炭酸ガスレーザのビーム形状は、単独では半導体膜を融点以上の温度に加熱することのできないエネルギー量を有しており、エキシマレーザの照射領域を包含する、エキシマレーザの照射領域より広い面積を有する照射領域としている。
【００４０】
上記照射領域内で、スリットが形成された投影マスクを通じて、エキシマレーザ光を照射し半導体膜の溶融・再結晶化を行なう。しかしながら、たとえば図１７（ｂ）に示したようなスリットの長さ方向（図中Ａの方向）に、図中（１）〜（４）のスリット群で構成されたような従来例のレーザビーム投影マスクを用いた場合、スリット群１つ分の幅ｄだけ基板のステップ移動を行ない結晶化を行なうため、（１）〜（４）のスリット群で構成された領域は、それぞれレーザ照射回数が異なることになる。すなわち、図４（ａ）に示したビーム形状の位置方向に対して概略１／４ずつ照射領域が移動されるため、スリット群（４）で構成された領域は、既に（１）〜（３）のスリット群により照射された後に照射され、これらの熱影響を受けた状態での照射となる。したがって、レーザビームの強度分布が均一に照射されても、基板上の温度分布としては不均一となる。
【００４１】
図４（ｂ）はこれにより生じる照射エリアの概略温度分布を示しており、照射エリアの位置、すなわちスリット群が照射される位置に対して温度分布が非常に大きくなっている。図４（ｃ）は、この温度分布に対してラテラル成長距離がどのように変化するかを示している。図４（ｂ），（ｃ）より、温度の上昇に伴いラテラル成長距離は増加しており、スリット群によってラテラル成長距離が異なることが分かる。このとき、引継ぎを問題なく行なうためにスリット幅をラテラル成長距離の２倍の最小値に合わせる必要がある。すなわち、図１７（ｂ）に示すレーザビーム投影マスクを用いた場合、スリット群（１）でのラテラル成長距離の２倍のスリット幅に設定する必要があるが、この状態でラテラル成長距離が拡大されると結晶性が悪くなるという問題点がある。すなわち、スリット群（４）での結晶性が低下し均一な半導体薄膜を作成することが困難となる。
【００４２】
本発明のレーザビーム投影マスクは、上記問題を解決することができるものであり、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものであることを特徴とする。このような本発明のレーザビーム投影マスクによれば、基板上の全てのレーザビーム照射領域において均一な結晶粒長が得られる。このことにより、このような本発明のレーザビーム投影マスクを用いた本発明のレーザ加工方法では、結晶表面の凹凸が低減し、結晶方位が均一となるため、結晶性が非常に良好な半導体薄膜を得ることができる。
【００４３】
本発明のレーザビーム投影マスクの好ましい一例として、その透過エリアが、マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して段階的に増加して変化するように形成された場合が挙げられる。図１（ａ）は、本発明の好ましい一例のレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【００４４】
図１（ａ）に示す例のレーザビーム投影マスクは、各スリット群でのラテラル成長距離が等しくなるように、スリット群ごとにレーザ光の透過率を変化させたスリットで形成されてなる。具体的には、図１（ａ）中に示すＡの方向に照射領域を移動させる場合、スリット群（１）の透過率が最も高く、次いでスリット群（２）、（３）、（４）の順に透過率を低下させる。さらに具体的には、各スリット群でのラテラル成長距離を等しくするため、各スリット群のスリット幅ｄを等しくし（たとえば、照射面上において３〜１０μｍ）、透過部の領域をエキシマレーザ光の解像限界以下のパターン、ハーフトーン状のパターンにより形成することで、図１（ａ）に示すように各スリット群の透過率を段階的に変化させたレーザビーム投影マスクを形成することができる。図１（ａ）に示した例のレーザビーム投影マスクとしては、たとえば、スリット群（１）として透過率が１００％、スリット群（２）として透過率が９０％、スリット群（３）として透過率が８０％、スリット群（４）として透過率が６０％である場合を例示できる。当該マスクにおけるレーザ光の透過率は、各スリットにおける｛（スリット幅×スリット長さ）−（ハーフトーンパターンの面積）｝／（スリット幅×スリット長さ）、すなわち、各スリットにおける開口率で算出することができる。
【００４５】
本発明のレーザビーム投影マスクは、その透過エリアであるスリットの形状は特に制限されるものではないが、図１（ａ）に示した例のように、透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されていることが、好ましい。このように透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されていることで、他の形状のスリットで透過エリアを形成した場合と比較して、スリットの幅方向と平行に、ラテラル成長が一様に行われ、この方向に沿って半導体デバイスのチャネルを形成することで、非常に特性の高い半導体デバイスを作製することができるという利点があるためである。
【００４６】
また、本発明のレーザビーム投影マスクは、該マスクの透過エリアを構成する複数の短矩状スリットはいずれも大きさが等しく設定され、かつ透過エリア内をレーザ光の解像限界以下のパターンにより形成することで、前記短矩状スリットの透過率を変化させるように形成されたものであることが、好ましい。これにより、各スリットにおけるラテラル成長距離が等しくなり、これによって結晶表面の凹凸が低減し、結晶方位が基板全面において均一となるため、結晶性が非常に良好な半導体薄膜を得ることができるという利点があるためである。
【００４７】
図５は、本発明のレーザビーム投影マスクを用いた結晶成長に用いられる半導体デバイス１を模式的に示す側面図である。本発明に用いられる半導体デバイスは、特に制限される非晶質材料からなる層を有しているならば特に制限はなく、非晶質材料からなる層自体で基板を形成するように実現されていてもよいし、また基板上に非晶質材料からなる層が
形成されるように実現されてもよい。図５には、透明基板（基板）２上に下地膜（下地層）３を介して非晶質状態の半導体膜４が形成されてなる積層構造を備えた例の半導体デバイス１を示している。
【００４８】
図５に示す例において、透明基板２としては、たとえばガラス基板、石英基板などが用いられる。中でも、価格的に有利な面から、ガラス基板が好ましい。また、下地層３は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＡｌＮなどからなる誘電体材料で形成される。各層の厚みは特に制限されるものではないが、たとえば、下次層３が１００ｎｍ、半導体膜４が５０ｎｍである場合が例示される。
【００４９】
下地膜３は、たとえば蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。そして、半導体膜４は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）、蒸着、またはスパッタリングなどにより下地膜３上に積層される。
【００５０】
本発明はまた、非晶質材料からなる層に、レーザビーム投影マスクによって投影された第１のレーザビームと該マスクによって投影されない第２のレーザビームを同時照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、前記非晶質材料からなる層上の予め定められた第１領域内に対して第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化した後、第１のレーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層上に新たな第２領域を定め、第２領域内に第１のレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上における第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動とを繰り返し行なう方法であり、レーザビーム投影マスクとして、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものを用いることを特徴とするレーザ加工方法も提供する。
【００５１】
このような本発明のレーザ加工方法には、上述した本発明のレーザビーム投影マスクが用いられる。特に、上述したような該マスクの透過エリアは、マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して段階的に増加して変化するように形成されたもの（図１（ａ））を好適な一例として挙げることができる。
【００５２】
本発明のレーザ加工方法は、好ましくは、繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有する。そして、前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第１の移動方向に対して段階的に増加する第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して段階的に増加する第２のレーザビーム投影マスクを用いることが、好ましい。
【００５３】
具体的には、たとえば、上述した図１（ａ）に示したレーザビーム投影マスクと、図６（ａ）に示すようにマスク透過率が図１（ａ）とは逆の方向に段階的に変化するように形成された（すなわち、スリット群（１）からスリット群（４）へ向かうにつれてマスク透過率が段階的に増加して変化するように形成された）レーザビーム投影マスクとを組み合わせて用いる。すなわち、第１の移動工程では、図１（ａ）中に示すＡの方向を上記第１
の移動方向として照射領域を移動させる場合、スリット群（１）の透過率が最も高く、次いでスリット群（２）、（３）、（４）の順に段階的に透過率が低下するようにする。そして所望の位置で改行および折返しを行った後、今度は図６（ａ）に示すレーザビーム投影マスクを用い、Ａとは反対のＢの方向を第２の移動方向として照射領域を移動させる。この場合は、スリット群（４）の透過率が最も高く、次いでスリット群（３）、（２）、（１）の順に段階的に透過率が低下するようにする（図６（ｂ））。このような本発明の好ましいレーザ加工方法により、半導体薄膜の製造効率をさらに向上させることが可能となる。
【００５４】
また、本発明のレーザビーム投影マスクは、マスク透過率が照射領域の移動方向に対して増加して変化するように形成された透過エリアを有するものであればよく、たとえば、該マスクの透過エリアは、マスク透過率が予め定められるレーザビーム照射領域の移動方向に対して徐々に増加して変化するように形成されたものであってもよい。
【００５５】
図１０は、本発明における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係の他の例を模式的に示すグラフである。図２に示したような装置を用い、第１のレーザ光および第２のレーザ光を照射して半導体膜を形成する場合、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係は、図１０に示す関係と同様の関係にあってもよいが、特にこのような関係にあることを限定するものではない。ここで、第１のレーザビームのパルス波形２１は、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３においてそれぞれ第１のレーザビームの照射を開始することを示し、第２のレーザビームの波形２２は、第２のレーザビームが、時刻ｔ＝ｔ０より連続的に放射されることを示している。なお、半導体膜は時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３における、第１のレーザビームの照射によって溶融状態となる。この液体状態にある半導体膜（前駆体半導体膜）に対し、第１のレーザビームに加えて第２のレーザビームの照射を行なうことにより、前駆体半導体膜の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるため、液体状態にある前駆体半導体膜の固化により生成する半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【００５６】
ラテラル成長距離を大幅に延ばすためにはレーザ照射時の温度が高くなり、これに伴って複数回照射後の温度分布が大きくなる。たとえば、図８（ａ）はエキシマレーザのビーム形状と、第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザのビーム形状を示している。炭酸ガスレーザビームのビーム形状は上述したとおり、単独では半導体膜を融点以上の温度に加熱することのできないエネルギー量を有しており、エキシマレーザの照射領域を包含する、エキシマレーザの照射領域より広い面積を有する照射領域としている。
【００５７】
上記照射領域内で、スリットが形成された投影マスクを通じて、エキシマレーザ光を照射し半導体膜の溶融・再結晶化を行なう。しかしながら、たとえば図１７（ｂ）に示したようなスリットの長さ方向（図中Ａの方向）に、図中（１）〜（４）のスリット群で構成されたような従来例のレーザビーム投影マスクを用いた場合、スリット群１つ分の幅ｄだけ基板のステップ移動を行ない結晶化を行なうため、（１）〜（４）のスリット群で構成された領域は、それぞれレーザ照射回数が異なることになる。すなわち、図８（ａ）に示したビーム形状の位置方向に対して概略１／４ずつ照射領域が移動されるため、スリット群（４）で構成された領域は、既に（１）〜（３）のスリット群により照射された後に照射され、これらの熱影響を受けた状態での照射となる。したがって、レーザビームの強度分布が均一に照射されても、基板上の温度分布としては不均一となる。
【００５８】
図８（ｂ）はこれにより生じる照射エリアの概略温度分布を示しており、照射エリアの位置、すなわちスリット群が照射される位置に対して温度分布が大きく異なっている。図８（ｃ）は、この温度分布に対してラテラル成長距離がどのように変化するかを示してい
る。図８（ｂ），（ｃ）より、温度の上昇に伴いラテラル成長距離は増加しており、スリット群によってラテラル成長距離が異なることが分かる。このとき、引継ぎを問題なく行なうためにスリット幅をラテラル成長距離の２倍の最小値に合わせる必要がある。すなわち、図１７（ｂ）に示すレーザビーム投影マスクを用いた場合、スリット群（１）でのラテラル成長距離の２倍のスリット幅に設定する必要があるが、この状態でラテラル成長距離が拡大されると結晶性が悪くなるという問題点がある。すなわち、スリット群（４）での結晶性が低下し均一な半導体薄膜を作成することが困難となる。
【００５９】
図７（ａ）には、本発明の好ましい他の例のレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【００６０】
図７（ａ）に示す例のレーザビーム投影マスクは、各スリット群でのラテラル成長距離が等しくなるように、スリット群ごとにレーザ光の透過率を変化させたスリットで形成されてなる。具体的には、図７（ａ）中に示すＡの方向に照射領域を移動させる場合、スリット群（１）からスリット群（４）の順に透過率は徐々に低下する。さらに具体的には、各スリット群でのラテラル成長距離を等しくするため、各スリット群のスリット幅ｄを等しくし（たとえば、照射面上において３〜１０μｍ）、透過部の領域をエキシマレーザ光の解像限界以下のパターン、ハーフトーン状のグラデーションパターンにより形成することで、図７（ａ）に示すように各スリット群の透過率を徐々に変化させたレーザビーム投影マスクを形成することができる。
【００６１】
上述のようにマスク透過率が徐々に変化するように形成された場合のレーザビーム投影マスクも、その透過エリアであるスリットの形状は特に制限されるものではないが、上述したのと同様の理由により、図７（ａ）に示した例のように、透過エリアが複数の短矩状スリットで構成されていることが、好ましい。
【００６２】
また、マスク透過率が徐々に変化するように形成された場合のレーザビーム投影マスクも、上述したのと同様の理由により、該マスクの透過エリアを構成する複数の短矩状スリットはいずれも大きさが等しく設定され、かつ透過エリア内をレーザ光の解像限界以下のパターンにより形成することで、前記短矩状スリットの透過率を変化させるように形成されたものであることが、好ましい。
【００６３】
また、上述した本発明のレーザ加工方法においても、マスク透過率が徐々に変化するように形成されたレーザビーム投影マスクを好適に用いることができる。
【００６４】
さらに、マスク透過率が徐々に変化するように形成されたレーザビーム投影マスクは、繰り返し行なう第１のレーザビームの照射と第１のレーザビームが照射すべき領域の移動が直線状に行なわれる第１の移動工程を有し、所望の位置で改行および折返しを行ない、第１の移動工程の方向と反対方向に第２の移動工程を有し、前記移動工程、改行および折返しが繰り返し行なわれる往復移動を行なう工程を有する、本発明の好ましい態様のレーザ加工方法にも好適に用いることができる。すなわち、そして、前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第１の移動方向に対して徐々に増加する第１のレーザビーム投影マスクを用い、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際には、レーザビーム投影マスクの透過率は前記第２の移動方向に対して徐々に増加する第２のレーザビーム投影マスクを用いるようにしてもよい。
【００６５】
具体的には、たとえば、上述した図７（ａ）に示したレーザビーム投影マスクと、図９（ａ）に示すようにマスク透過率が図９（ａ）とは逆の方向に徐々に変化するように形成された（すなわち、スリット群（１）からスリット群（４）へ向かうにつれてマスク透過
率が徐々に増加して変化するように形成された）レーザビーム投影マスクとを組み合わせて用いる。すなわち、第１の移動工程では、図７（ａ）中に示すＡの方向を上記第１の移動方向として照射領域を移動させる場合、スリット群（１）の透過率が最も高く、次いでスリット群（２）、（３）、（４）の順に徐々に透過率が低下するようにする。そして所望の位置で改行および折返しを行った後、今度は図９（ａ）に示すレーザビーム投影マスクを用い、Ａとは反対のＢの方向を第２の移動方向として照射領域を移動させる。この場合は、スリット群（４）の透過率が最も高く、次いでスリット群（３）、（２）、（１）の順に徐々に透過率が低下するようにする（図９（ｂ））。このような本発明の好ましいレーザ加工方法により、半導体薄膜の製造効率をさらに向上させることが可能となる。
【００６６】
本発明はまた、上述した好ましい態様のレーザ加工方法に好適に用いられるレーザ加工装置も提供する。すなわち、本発明のレーザ加工装置は、前記第１の移動方向にレーザ加工を行なう際に用いられる第１のレーザビーム投影マスクと、前記第２の移動方向にレーザ加工を行なう際に用いられる第２のレーザビーム投影マスクの２種類のマスクを保持する保持手段と、前記第１のレーザビーム投影マスクと前記第２のレーザビーム投影マスクを切り換えるための移動手段とを備える。ここで、第１および第２のレーザビーム投影マスクの組み合わせは、上述した図１（ａ）および図６（ａ）にそれぞれ示したレーザビーム投影マスクの組み合わせ、または、図７（ａ）および図９（ａ）にそれぞれ示したレーザビーム投影マスクの組み合わせを、好ましい例として挙げることができる。当該レーザ加工装置における保持手段および移動手段は、当分野において従来より広く用いられてきたものを適宜組み合わせて実現することができ、特に制限されるものではない。
【００６７】
本発明のレーザビーム投影マスクまたはレーザ加工方法（好ましくは本発明のレーザ加工装置を用いる）により形成された膜は、従来公知の適当な処理を行なうことでトランジスタに形成することができ、液晶パネルなどの液晶素子として用いることが可能である。この場合、結晶粒が従来の場合より均一となり、高性能の素子が得られる。また非晶質材料は、アモルファスシリコンが好ましいが、これに限定されることなく、非晶質のゲルマニウムやそれらの合金であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１（ａ）は、本発明の好ましい一例のレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【図２】レーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置の好ましい一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係の一例を模式的に示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は第１のレーザビームとしてエキシマレーザを用い、第２のレーザビームとして炭酸ガスレーザを用いた場合のそれぞれのビーム形状を示す図であり、図４（ｂ）は照射エリアの概略温度分布を示すグラフであり、図４（ｃ）は、温度分布に対してラテラル成長距離がどのように変化するかを示すグラフである。
【図５】本発明のレーザビーム投影マスクを用いた結晶成長に用いられる半導体デバイス１を模式的に示す側面図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の好ましい態様のレーザ加工方法において、図１（ａ）に示したレーザビーム投影マスクと組み合わせて用いられるレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）は、本発明の好ましい他の例のレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は第１のレーザビームとしてエキシマレーザを用い、第２のレーザビームとして炭酸ガスレーザを用いた場合のそれぞれのビーム形状を示す図であり、図８（ｂ）は照射エリアの概略温度分布を示すグラフであり、図８（ｃ）は、温度分布に対してラテラル成長距離がどのように変化するかを示すグラフである。
【図９】図９（ａ）は本発明の好ましい態様のレーザ加工方法において、図７（ａ）に示したレーザビーム投影マスクと組み合わせて用いられるレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係の他の例を模式的に示すグラフである。
【図１１】従来の典型的な一例のレーザ加工装置を模式的に示す図である。
【図１２】従来用いられてきた半導体デバイス１０１を模式的に示す側面図である。
【図１３】結晶成長を説明するために段階的に示した図である。
【図１４】従来例のレーザ光の理想的なビーム形状を模式的に示す図である。
【図１５】図１５（ａ）は従来例のレーザビーム投影マスクを示し、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のマスクを用いて成長させた結晶を示す。
【図１６】図１６（ａ）は従来例のレーザビーム投影マスクを示し、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のマスクを用いて成長させた結晶を示す。
【図１７】図１７（ａ）は、従来例の第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの照射時刻と出力との関係を模式的に示すグラフであり、図１７（ｂ）は従来例のレーザビーム投影マスクを模式的に示す図であり、図１７（ｃ）は図１７（ｂ）のマスクを用いた場合の位置と透過率との関係を示すグラフである。
【図１８】図１７（ｂ）のマスクを用いた場合の温度とラテラル成長距離との関係を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
１，１０１  半導体デバイス、２，１０２  透明基板（基板）、３，１０３  下地膜（下地層）、４，１０４  半導体層、１１，１１１  第１のレーザ発振器、１２，１１２  可変減衰器、１３，１１３  焦点視野レンズ、１４，１１４  投影マスク、１５，１１５
結像レンズ、１６，１１６  ステージ。
【図１】
2007207896.tif 000003
【図２】
2007207896.tif 000004
【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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