(57)【要約】【課題】粒内欠陥を抑制した高品質な結晶を得る。【解決手段】投影マスク１５は、第１スリットパターン１５−１を介したレーザ光の照射によって、第１照射パターンを形成するためのブロックＢ１と、第２スリットパターン１５−２を介した照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに第１照射パターンの端部の一部を重畳する第２照射パターンを形成するためのブロックＢ２と、第３スリットパターン１５−３を介した照射によって、第１照射パターンおよび第２照射パターンと直交する第３照射パターンを形成するためのブロックＢ３と、第４スリットパターン１５−４を介した照射によって、第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するためのブロックＢ４とを備え、第３レーザ光の照射により、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成し、第４照射パターンが種結晶領域の一部と重畳する。【選択図】図３
2009302251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、前記半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化装置であって、
前記半導体薄膜が生成された被処理物を載置するステージと、
前記ステージの移動および前記レーザ光の照射タイミングを制御する制御手段とを備え、
前記マスクが、少なくとも、
第１スリットパターンを有し、当該第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第１マスク要素と、
第２スリットパターンを有し、前記ステージの移動の後、当該第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第２照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第２マスク要素と、
第３スリットパターンを有し、前記ステージの移動の後、当該第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンおよび前記第２照射パターンと直交する第３照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第３マスク要素と、
第４スリットパターンを有し、前記ステージの移動の後、当該第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するための第４マスク要素とを備え、
前記第３レーザ光の照射により、前記第１照射パターンと前記第２照射パターンと前記第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成し、
前記第４照射パターンが前記種結晶領域の一部と重畳する、レーザ結晶化装置。
【請求項２】
半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、前記半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化装置であって、
前記半導体薄膜が生成された被処理物を載置するステージと、
前記ステージの移動および前記レーザ光の照射タイミングを制御する制御手段とを備え、
前記マスクは、少なくとも、
第１スリットパターンを有し、当該第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第１マスク要素と、
第２スリットパターンを有し、前記ステージの移動の後、当該第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと直交する第２照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第２マスク要素と、
第３スリットパターンを有し、前記ステージの移動の後、当該第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第３照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第３マスク要素と、
第４スリットパターンを有し、前記ステージの移動の後、当該第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するための第４マスク要素とを備え、
前記第３レーザ光の照射により、前記第１照射パターンと前記第２照射パターンと前記第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成し、
前記第４照射パターンが前記種結晶領域の一部と重畳する、レーザ結晶化装置。
【請求項３】
ｎを５以上の自然数とし、ｉを５以上ｎ−１以下の任意の自然数とすると、前記マスクは、第ｉスリットパターンを有する第ｉマスク要素を備え、
前記第ｉスリットパターンを介した第ｉレーザ光の照射によって第ｉ照射パターンを前記半導体薄膜上に形成してから前記ステージを移動させた後に、第ｉ＋１マスク要素が、第ｉ＋１スリットパターンを介した第ｉ＋１レーザ光の照射によって、前記第ｉ照射パターンの一部を重畳する第ｉ＋１照射パターンを前記半導体薄膜上に形成する、請求項１または２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項４】
前記第ｉスリットパターンと、前記第ｉ＋１スリットパターンとは互いに直交する、請求項３に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項５】
ｎを５以上の自然数とし、ｉを５以上ｎ−１以下の任意の自然数とすると、前記マスクは、第ｉスリットパターンを有する第ｉマスク要素を備え、
前記種結晶領域の特定位置を原点とするＸ−Ｙ直交座標系について、ｋを１から４の自然数とし、第ｋ象限におけるＸ軸正方向をｋＸ＋と、Ｘ軸負方向をｋＸ−と、Ｙ軸正方向をｋＹ＋と、Ｙ軸負方向をｋＹ−とすると、
第５マスク要素から第ｎマスク要素における各マスク要素と前記レーザ光の照射によって、前記種結晶領域を、１Ｘ＋、１Ｙ＋、２Ｘ−、２Ｙ＋、３Ｘ−、３Ｙ−、４Ｘ＋、および４Ｙ−の各方向に伸張する、請求項１または２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項６】
第１スリットパターンおよび第２スリットパターンの形状は矩形状であって、
前記第２照射パターンにおける前記第１照射パターンと重畳した領域における、第２スリットパターンのスリットの短手方向と平行な辺の長さをＯＬ１２とし、第１照射パターンにおける、第１スリットパターンのスリットの短手方向と平行な辺の長さをＬ１とすると、
前記ＯＬ１２と前記Ｌ１とは、１／４×Ｌ１≦ＯＬ１２の関係を満たす、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項７】
前記ＯＬ１２と前記Ｌ１とが、さらに、ＯＬ１２＜１／２×Ｌ１の関係を満たす、請求項６に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項８】
スリットパターンを有し、当該スリットパターンを介して、相対的に移動する半導体薄膜に対してレーザ光を照射することによって、前記半導体薄膜上に照射パターンを形成するためのマスクであって、
前記移動方向に沿って配された、第１方向に伸びた第１スリットパターンを有する第１マスク要素と、第１方向に伸びた第２スリットパターンを有する第２マスク要素と、第２方向に伸びた第３スリットパターンを有する第３マスク要素と、第１方向に伸びた第４スリットパターンを有する第４マスク要素とを備え、
前記第２スリットパターンの一部が、前記第２方向の一方の向き側において前記第１スリットパターンと重なり、
前記第３スリットパターンの一部が、前記第１スリットパターンと前記第２スリットパターンとに重なり、
前記第４スリットパターンの一部が、前記第２方向の他方の向き側において前記第２スリットパターンと重なる、マスク。
【請求項９】
スリットパターンを有し、当該スリットパターンを介して、相対的に移動する半導体薄膜に対してレーザ光を照射することによって、前記半導体薄膜上に照射パターンを形成するためのマスクであって、
前記移動方向に沿って配された、第１方向に伸びた第１スリットパターンを有する第１マスク要素と、第２方向に伸びた第２スリットパターンを有する第２マスク要素と、第１方向に伸びた第３スリットパターンを有する第３マスク要素と、第１方向に伸びた第４スリットパターンを有する第４マスク要素とを備え、
前記第２スリットパターンの一部が、前記第１スリットパターンと重なり、
前記第３スリットパターンの一部が、前記第２方向の一方の向き側において前記第１スリットパターンと重なり、
前記第４スリットパターンの一部が、前記第２方向の他方の向き側において前記第３スリットパターンと重なる、マスク。
【請求項１０】
半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、前記半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化方法であって、
前記マスクは、第１マスク要素と、第２マスク要素と、第３マスク要素と、第４マスク要素とを含み、
前記第１マスク要素の第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを前記半導体薄膜上に形成する第１ステップと、
前記ステージの移動の後、前記第２マスク要素の第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第２照射パターンを前記半導体薄膜上に形成する第２ステップと、
前記ステージの移動の後、前記第３マスク要素の第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンおよび前記第２照射パターンと直交する第３照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するとともに、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成する第３ステップと、
前記ステージの移動の後、前記第４マスク要素の第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行であるとともに前記種結晶領域の一部と重畳する第４照射パターンを形成する第４ステップとを含む、レーザ結晶化方法。
【請求項１１】
半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、前記半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化方法であって、
前記マスクは、第１マスク要素と、第２マスク要素と、第３マスク要素と、第４マスク要素とを含み、
前記第１マスク要素の第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを前記半導体薄膜上に形成する第１ステップと、
前記ステージの移動の後、前記第２マスク要素の第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと直交する第２照射パターンを前記半導体薄膜上に形成する第２ステップと、
前記ステージの移動の後、前記第３マスク要素の第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第３照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するとともに、前記第１照射パターンと前記第２照射パターンと前記第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成する第３ステップと、
前記ステージの移動の後、前記第４マスク要素の第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと平行であるとともに前記種結晶領域の一部と重畳する第４照射パターンを形成する第４ステップとを含む、レーザ結晶化方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載のレーザ結晶化方法によって作製された、結晶粒界に包囲された結晶からなる結晶材。
【請求項１３】
請求項１０または１１に記載のレーザ結晶化方法によって作製された、矩形状の結晶材。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の結晶材を用いて作製されるとともに、自素子のチャネル領域が結晶粒界によって包囲される結晶領域内に形成されている、半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レーザ光の照射により結晶を形成するレーザ結晶化装置、この装置に用いられるマスク、レーザ結晶化方法、結晶材、および半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス基板上に機能回路を集積するＳＯＧ（Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）技術が注目を集めている。また、近年、このＳＯＧ技術の根幹となる、単結晶Ｓｉに近い性能を有する多結晶Ｓｉ薄膜を得るための種々の技術が提案されている。
【０００３】
図２６は、従来技術のレーザ結晶化装置の構成を示す図である。
この従来技術は、ラテラル成長法の中でＳＬＳ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）方式に分類されるレーザ結晶化技術であって、レーザ結晶化装置１０１により、結晶の成長方向に方位の揃った長細状の結晶を形成する技術である。
【０００４】
レーザ結晶化装置１０１は、レーザ光発振器１０２と、可変減衰器１０３と、複数のミラー１０４と、照明光学素子１０５と、投影マスク１０６と、結像レンズ１０７と、ステージ１０８と、制御部１０９とを備えている。
【０００５】
レーザ光発振器１０２は、パルス状のレーザ光を発する。レーザ光発振器１０２は、例えばエキシマレーザによって実現される。複数のミラー１０４は、レーザ光発振器１０２から発せられるレーザ光を反射して、レーザ光の方向を変化させる。照明光学素子１０５は、ホモジナイザやフィールドレンズ等を備えている。投影マスク１０６は、照明光学素子１０５を透過したレーザ光を所定のパターンに限定して通過させる。結増レンズ１０７は、投影マスク１０６を通過したレーザ光を後述する被処理物１１０の一表面部に結像させる。ステージ１０８は、被処理物１１０を載置可能であるとともに、載置した被処理物１１０を矢符Ｙで示す方向に移動可能である。制御部１０９は、レーザ光発振器１０２の出力制御およびステージ１０８の移動制御を行う。
【０００６】
ここで、レーザ光発振器１０２から発せられたレーザ光は、可変減衰器１０３、ミラー１０４、照明光学素子１０５、投影マスク１０６、結像レンズ１０７を経由して、ステージ１０８に載置された被処理物１１０の一表面部に照射される。
【０００７】
図２７は、被処理物１１０の構成を示す断面図である。
被処理物１１０は、図２７に示すように、光透過性を有する透明基板１１５と、透明基板１１５上に形成される下地膜１１６と、下地膜１１６上に形成される半導体薄膜１１７とを含む。
【０００８】
下地膜１１６上の半導体薄膜１１７の延設方向（つまり、図２７では矢符Ａで示す方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、まず半導体薄膜１１７の矢符Ｂで示す領域（以下、「領域Ｂ」と称する）以外の領域をマスキングして、レーザ光発振器１０２から発せられるレーザ光を半導体薄膜１１７の領域Ｂに照射する。
【０００９】
そして、領域Ｂに照射されたレーザ光のエネルギが熱エネルギに変換される。その結果、半導体薄膜１１７の領域Ｂに熱を誘導することができるとともに、半導体薄膜１１７を当該半導体薄膜１１７の厚み方向にわたって溶融することができる。
【００１０】
図２８は、半導体薄膜における結晶の成長過程を模式的に示す図である。ここで、図２８（ａ）は、１回目のレーザ光を照射した後の結晶の状態を示した図である。また、図２８（ｂ）は、２回目のレーザ光を照射する領域を示した図である。また、図２８（ｃ）は、２回目のレーザ光を照射した後の結晶の状態を示した図である。また、図２８（ｄ）は、拡大させた結晶を示した図である。
【００１１】
１回目のレーザ光を照射して半導体薄膜１１７を溶融した後は、領域Ｂが溶融されている半導体膜１１７を冷却することによって凝固させる。これにより、図２８（ａ）に示すとおり、領域Ｂとそれ以外の領域との境界（Ｂ１,Ｂ２）から、領域Ｂの中心に向かうように結晶が成長する。
【００１２】
さらに、図２８（ｂ）に示すように、領域Ｂにおいて結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｂの一部と重畳する新たな領域Ｃを設定する。そして、２回目のレーザ光を照射して、領域Ｃを溶融する。さらに、領域Ｃで溶融されている半導体膜１１７を凝固させ、図２８（ｃ）に示すように、領域Ｃに結晶を形成する。このような手順を繰返して、所望の結晶を半導体膜１１７の延設方向Ａに沿って段階的に成長させる。これにより、図２８（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、その結果、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。
【００１３】
特許文献１には、このような方法で結晶を拡大する技術が開示されている。
しかしながら、上記方法により結晶化した半導体薄膜１１７を有する基板１１５上に形成されるＴＦＴ素子（図２８（ｄ）参照）は、可能な限り実装密度を高くするため、あるいは回路配置の都合のために、必ずしも一方向に限定されて配設されるわけではない。また、ＴＦＴ素子は、表示素子などのアレイ構造にも依存して配設される。
【００１４】
したがって、ＴＦＴ素子は、図２８（ｄ）に模式的に示すように、ソースＳからドレインＤに流れる電流の方向（換言すると矢符Ｊで示す電流が流れる方向）と結晶の成長方向とが平行となるように配設される場合と、上記電流が流れる方向と結晶の成長方向とが垂直となるように配設される場合とがある。
【００１５】
電流が流れる方向と結晶の成長方向とが平行である場合におけるＴＦＴ素子のスイッチング特性は良好である。しかしながら、電流が流れる方向と結晶の成長方向とが垂直である場合におけるＴＦＴ素子のスイッチング特性は、電流が流れる方向と結晶の成長方向とが平行である場合に比べて低くなる。加えて、電流が流れる方向と結晶の成長方向とが平行である場合のＴＦＴ素子と、電流が流れる方向と結晶の成長方向とが垂直であるＴＦＴ素子とが混在してしまうため、均一な特性を得ることが困難となる。
【００１６】
この問題を解決すべく、特許文献２では、縦方向に形成されているスリットパターンが横方向に多数配列されている第１および第２垂直スリット領域と、横方向に形成されているスリットパターンが縦方向に多数配列されている第３および第４水平スリット領域とを有するマスクを用いて結晶化を行うことにより、横及び縦方向に対して等方的に成長したグレーンを有する多結晶シリコンの半導体層を形成している。
【００１７】
また、特許文献３では、配列方向が第１方向および第１方向に直交する第２方向のストライプパターンの領域から成るマスクを用いて、非晶質シリコン膜が形成された基板をマスク幅の１／４だけ移動させながらレーザ光を照射することにより、一定の大きさの結晶粒を形成するとともに、非晶質シリコン膜に形成される結晶化領域の異方性を解消している。
【００１８】
さらに、特許文献４では、次の手法が開示されている。まず、ａ−Ｓｉ膜上に形成されたスリット形状の１次照射領域に１次照射を行い、その次に、スリット形状の２次照射領域を１次照射領域と直角に交差されるように行う。引き継いで、１次照射領域と２次照射領域とが重複した領域に再びドット形状の照射領域を有する３次照射を行って、単結晶領域を確保する。そして、さらに単結晶領域の大きさを拡大させるために４次照射を実行する。以上により、同文献では、均一性と優秀な素子性能を確保している。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特開２００３−９２２６２号公報
【特許文献３】特開２００３−２２９６９号公報
【特許文献４】特開２００５−１５９２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、特許文献２においては、横及び縦方向に対して等方的に成長したグレーンを有する多結晶シリコンの半導体層を形成することができるとされているが、必ずしも等方的にはならない。このため、最終の成長方向に対して垂直な方向にＴＦＴ素子を配置すると、ＴＦＴ素子のスイッチング特性は低下する。
【００２０】
このように特性が低下する理由を、図を用いて説明する。図２９は、特許文献２に開示されている多結晶化用マスクである。この多結晶化用マスクでは、図２９に示すとおり、横幅ｄの領域が横幅ｄ／４の４つの領域に分割され、それぞれが、同図の左から順に、第１垂直スリット領域、第２垂直スリット領域、第３水平スリット領域、第４水平スリット領域となっている。そして、第１及び第２垂直スリット領域においては、それぞれに、縦方向に形成されているスリットパターンが横方向に多数配列されている。また、第３及び第４水平スリット領域においては、横方向に形成されているスリットパターンが縦方向に多数配列されている。
【００２１】
そして、特許文献２では、多結晶化用マスクをｄ／４だけ横移動させながらレーザ照射を行うＳＬＳ工程を実行すると、第１および第２垂直スリット領域を介したレーザ光の照射により、まずグレーンは横方向に成長する。また、第３及び第４水平スリット領域を介したレーザ光の照射により、第１および第２垂直スリット領域を介した先のレーザ光の照射によって結晶化した領域を、さらに縦方向に成長させる。これにより、特許文献２では、横及び縦方向に対して等方的に成長したグレーンを有する多結晶シリコンの半導体薄膜を形成している。
【００２２】
しかしながら、特許文献２に開示された技術を用いても、実際には必ずしも、横及び縦方向に対して等方的に成長したグレーンを有する多結晶シリコンの半導体薄膜を得ることはできない。この理由を、図３０〜図３３に基づいて説明する。
【００２３】
図３０〜図３３に、図２９の多結晶化用マスクを用いてＳＬＳ工程を実行した場合の結晶の状態を示す。
【００２４】
図３０は、上記第１垂直スリット領域のスリットパターン（スリット幅：Ｗｓ１）を介したレーザ光の照射により形成した結晶を示した図である。図３０に示すとおり、第１垂直スリット領域のスリットパターンを介したレーザ光の照射により、当該スリットパターンの長辺側の両エッジ部において核生成により結晶核が形成されたる。その後、ラテラル成長がスリットパターンの中心部に向けてそれぞれ進行し、スリットパターンの中心部で両側のエッジ部から成長されてきた結晶が出会う。これにより、「リッジ」と呼ばれる突起部が形成され、結晶の形成が終了する。
【００２５】
この時、図３０に示すとおり、上記両側のエッジ部近傍における結晶成長初期の領域では、数多くの微細な競争的ラテラル成長が生じる。このため、当該領域は、数多くの結晶粒が集まった微細結晶粒の領域をなす。そして、スリット中央部まで優先的に成長した結晶粒は、結晶成長に伴って結晶粒幅が拡がる様相を呈し、その結果、スリットのエッジ部から中央部にかけてすり鉢状の形状をなす。
【００２６】
図３１は、上記第２垂直スリット領域のスリットパターン（スリット幅：Ｗｓ２）を介したレーザ光を、上記一方のエッジ部に重畳するように照射した際に形成される結晶を示した図である。
【００２７】
このようなレーザ光の照射によって、上記第１垂直スリット領域のスリットパターンを介したレーザ光の照射により成長した結晶は、先程成長させた方向とは反対の方向にラテラル成長する。この時、上記エッジ部近傍の微細結晶粒は、図３１に示すとおり、一部再結晶化により消滅する。しかしながら、同図に示すとおり、第１垂直スリット領域のスリットパターンによるレーザ光照射パターン（以下、第１照射パターン）と第２垂直スリット領域のスリットパターンによるレーザ光照射パターン（以下、第２照射パターン）との重畳量によっては、消滅することなく残存する微細結晶粒もある。
【００２８】
その結果、スリット中央部まで優先的に成長したすり鉢状の結晶粒が、上記反対の方向に引き継がれる。これにより、上記残存した微細結晶と、第１照射パターンの中央部に形成されたリッジと第２照射パターンの中央部に形成されたリッジとで挟まれた、砂時計形状を有する結晶粒とにより、ラテラル成長結晶が構成される。
【００２９】
図３２は、上記第３水平スリット領域のスリットパターン（スリット幅：Ｗｓ３）を介したレーザ光を、少なくとも第１照射パターンと第２照射パターンとが重畳した領域に照射した際に形成される結晶を示した図である。なお、第３水平スリット領域のスリットパターンによるレーザ光照射パターンを、第３照射パターンと称する。
【００３０】
図３３は、上記第４水平スリット領域のスリットパターン（スリット幅：Ｗｓ４）を介したレーザ光を、少なくとも第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとが重畳した領域に照射した際に形成される結晶を示した図である。なお、第４水平スリット領域のスリットパターンによるレーザ光照射パターンを、第４照射パターンと称する。
【００３１】
図３２および図３３に示すとおり、上記結晶粒に対する、第３水平スリット領域と第４水平スリット領域とを用いたレーザ光の照射により、当該結晶粒を種結晶として紙面の縦方向に再度の結晶成長が起こる。
【００３２】
この時、第１照射パターンの中央部に形成されたリッジと第２照射パターンの中央部に形成されたリッジとで挟まれた結晶粒の長さが、第３照射パターンにより形成される結晶粒の幅（上記結晶粒の長さと同方向の長さ）となるとともに、横方向および縦方向に対して等方的な結晶が形成されることが、理想的である。
【００３３】
しかしながら、前記第３照射パターンの長辺側のエッジ部と、上記第１照射パターンと第２照射パターンとにより形成された砂時計形状を有する結晶粒の粒界、あるいは上記残存した微細結晶粒の粒界とは平行にならない。それゆえ、これらの結晶粒界も同時に縦方向に引き継がれる。したがって、図３２に示すように、実際には、第１照射パターンの中央部に形成されたリッジと第２照射パターンの中央部に形成されたリッジとで挟まれた結晶粒から複数の結晶粒が成長し、第１照射パターンと第２照射パターンとの重畳部近傍に結晶粒界が形成される。その結果、図３３に示すように、最終的に形成された結晶粒は、縦方向に成長した結晶の長さと当該結晶の幅とが異なることになり、等方的に成長した結晶粒にはならない。
【００３４】
このように、特許文献２に開示された技術を用いても、実際には必ずしも、横及び縦方向に対して等方的に成長したグレーンを有する多結晶シリコンの半導体薄膜を得ることはできない。
【００３５】
加えて、上記の工程は、横方向および縦方向にそれぞれ２回ずつレーザ光を照射することにより所定領域の結晶化を完了させる工程であるため、ラテラル成長し得る結晶粒の長さに限界がある。それゆえ、仮に結晶粒界のない等方的な結晶が形成されたとしても、四方をリッジで囲まれた領域内にＴＦＴ素子を配置することは困難である。したがって、特許文献２の技術では、ＴＦＴ素子のスイッチング特性の向上を望むことは困難である。
【００３６】
また、特許文献３においては、水平スリットパターンと垂直スリットパターンとを１回ずつ交互に、合計４回のレーザ光を照射することにより、上記異方性は軽減されていく。しかしながら、交互に重複して照射する際に、特許文献２と同様、先の照射パターンのエッジ部に形成された微細な結晶粒を引継ぐことにより、不必要な結晶粒が発生する。このため、結晶性が低下する。
【００３７】
また、特許文献３においても、特許文献２と同様、横方向および縦方向の交互２回ずつのレーザ照射で所定領域の結晶化が完了するため、結晶成長の長さは限られている。このため、ＴＦＴ素子のスイッチング特性を著しく向上させることは困難である。
【００３８】
また、特許文献４には、照射パターンのエッジ近傍の微細な結晶粒の発生を抑制するため、種結晶形成工程において、先の照射パターンのエッジ部から再度結晶成長をさせた後に、当該成長方向と直交する方向に結晶成長させることにより、単結晶の種結晶領域をより容易に得る方法が記載されている。
【００３９】
この方法により、不必要な結晶粒は抑制できる傾向となる。しかしながら、当該方法では、その後の結晶拡大工程において、ドット遮光部からの結晶成長拡大手法をとっている。この手法は、種結晶を径方向に拡大する、すなわち放射状に２次元的に拡大していく手法であるため、成長の過程で新たな欠陥が発生しやすい。このため、粒内欠陥のない領域にＴＦＴ素子を配置することは困難であり、したがって均一で高いスイッチング特性を得ることは困難である。
【００４０】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、粒内欠陥を抑制した高品質な結晶を作製するための、レーザ結晶化装置、マスク、レーザ結晶化方法、結晶材、および半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明のある局面にしたがうと、レーザ結晶化装置は、半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化装置であって、半導体薄膜が生成された被処理物を載置するステージと、ステージの移動およびレーザ光の照射タイミングを制御する制御手段とを備え、マスクが、少なくとも、第１スリットパターンを有し、当該第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを前記半導体薄膜上に形成するための第１マスク要素と、第２スリットパターンを有し、ステージの移動の後、当該第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第２照射パターンを半導体薄膜上に形成するための第２マスク要素と、第３スリットパターンを有し、ステージの移動の後、当該第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、第１照射パターンおよび第２照射パターンと直交する第３照射パターンを半導体薄膜上に形成するための第３マスク要素と、第４スリットパターンを有し、ステージの移動の後、当該第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するための第４マスク要素とを備え、第３レーザ光の照射により、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成し、第４照射パターンが前記種結晶領域の一部と重畳する。
【００４２】
また、本発明の他の局面にしたがうと、レーザ結晶化装置は、半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化装置であって、半導体薄膜が生成された被処理物を載置するステージと、ステージの移動およびレーザ光の照射タイミングを制御する制御手段とを備え、マスクは、少なくとも、第１スリットパターンを有し、当該第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを半導体薄膜上に形成するための第１マスク要素と、第２スリットパターンを有し、ステージの移動の後、当該第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、第１照射パターンと直交する第２照射パターンを半導体薄膜上に形成するための第２マスク要素と、第３スリットパターンを有し、ステージの移動の後、当該第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第３照射パターンを半導体薄膜上に形成するための第３マスク要素と、第４スリットパターンを有し、ステージの移動の後、当該第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するための第４マスク要素とを備え、第３レーザ光の照射により、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成し、第４照射パターンが前記種結晶領域の一部と重畳する。
【００４３】
また、ｎを５以上の自然数とし、ｉを５以上ｎ−１以下の任意の自然数とすると、マスクは、第ｉスリットパターンを有する第ｉマスク要素を備え、第ｉスリットパターンを介した第ｉレーザ光の照射によって第ｉ照射パターンを半導体薄膜上に形成してからステージを移動させた後に、第ｉ＋１マスク要素が、第ｉ＋１スリットパターンを介した第ｉ＋１レーザ光の照射によって、第ｉ照射パターンの一部を重畳する第ｉ＋１照射パターンを半導体薄膜上に形成することが好ましい。
【００４４】
また、第ｉスリットパターンと、第ｉ＋１スリットパターンとは互いに直交することが好ましい。
【００４５】
また、ｎを５以上の自然数とし、ｉを５以上ｎ−１以下の任意の自然数とすると、前記マスクは、第ｉスリットパターンを有する第ｉマスク要素を備え、種結晶領域の特定位置を原点とするＸ−Ｙ直交座標系について、ｋを１〜４の自然数とし、第ｋ象限におけるＸ軸正方向をｋＸ＋と、Ｘ軸負方向をｋＸ−と、Ｙ軸正方向をｋＹ＋と、Ｙ軸負方向をｋＹ−とすると、第５マスク要素〜第ｎマスク要素における各マスク要素と前記レーザ光の照射によって、前記種結晶領域を、１Ｘ＋、１Ｙ＋、２Ｘ−、２Ｙ＋、３Ｘ−、３Ｙ−、４Ｘ＋、および４Ｙ−の各方向に伸張することが好ましい。
【００４６】
また、第１スリットパターンおよび第２スリットパターンの形状は矩形状であって、第２照射パターンにおける第１照射パターンと重畳した領域における、第２スリットパターンのスリットの短手方向と平行な辺の長さをＯＬ１２とし、第１照射パターンにおける、第１スリットパターンのスリットの短手方向と平行な辺の長さをＬ１とすると、ＯＬ１２とＬ１とは、１／４×Ｌ１≦ＯＬ１２の関係を満たすことが好ましい。
【００４７】
また、ＯＬ１２とＬ１とが、さらに、ＯＬ１２＜１／２×Ｌ１の関係を満たすことが好ましい。
【００４８】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、マスクは、スリットパターンを有し、当該スリットパターンを介して、相対的に移動する半導体薄膜に対してレーザ光を照射することによって、半導体薄膜上に照射パターンを形成するためのマスクであって、移動方向に沿って配された、第１方向に伸びた第１スリットパターンを有する第１マスク要素と、第１方向に伸びた第２スリットパターンを有する第２マスク要素と、第２方向に伸びた第３スリットパターンを有する第３マスク要素と、第１方向に伸びた第４スリットパターンを有する第４マスク要素とを備え、第２スリットパターンの一部が、第２方向の一方の向き側において第１スリットパターンと重なり、第３スリットパターンの一部が、第１スリットパターンと第２スリットパターンとに重なり、第４スリットパターンの一部が、第２方向の他方の向き側において第２スリットパターンと重なる。
【００４９】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、マスクは、スリットパターンを有し、当該スリットパターンを介して、相対的に移動する半導体薄膜に対してレーザ光を照射することによって、半導体薄膜上に照射パターンを形成するためのマスクであって、移動方向に沿って配された、第１方向に伸びた第１スリットパターンを有する第１マスク要素と、第２方向に伸びた第２スリットパターンを有する第２マスク要素と、第１方向に伸びた第３スリットパターンを有する第３マスク要素と、第１方向に伸びた第４スリットパターンを有する第４マスク要素とを備え、第２スリットパターンの一部が、第１スリットパターンと重なり、第３スリットパターンの一部が、第２方向の一方の向き側において第１スリットパターンと重なり、第４スリットパターンの一部が、第２方向の他方の向き側において第３スリットパターンと重なる。
【００５０】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化方法であって、マスクは、第１マスク要素と、第２マスク要素と、第３マスク要素と、第４マスク要素とを含み、第１マスク要素の第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを半導体薄膜上に形成する第１ステップと、ステージの移動の後、第２マスク要素の第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第２照射パターンを半導体薄膜上に形成する第２ステップと、ステージの移動の後、第３マスク要素の第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、第１照射パターンおよび第２照射パターンと直交する第３照射パターンを半導体薄膜上に形成するとともに、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成する第３ステップと、ステージの移動の後、第４マスク要素の第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに種結晶領域の一部と重畳する第４照射パターンを形成する第４ステップとを含む。
【００５１】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、レーザ結晶化方法は、半導体薄膜にマスクを介してレーザ光の照射を行い、半導体薄膜を結晶化させるレーザ結晶化方法であって、マスクは、第１マスク要素と、第２マスク要素と、第３マスク要素と、第４マスク要素とを含み、第１マスク要素の第１スリットパターンを介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを半導体薄膜上に形成する第１ステップと、ステージの移動の後、第２マスク要素の第２スリットパターンを介した第２レーザ光の照射によって、第１照射パターンと直交する第２照射パターンを半導体薄膜上に形成する第２ステップと、ステージの移動の後、第３マスク要素の第３スリットパターンを介した第３レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第３照射パターンを半導体薄膜上に形成するとともに、前記第１照射パターンと前記第２照射パターンと前記第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成する第３ステップと、ステージの移動の後、第４マスク要素の第４スリットパターンを介した第４レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに種結晶領域の一部と重畳する第４照射パターンを形成する第４ステップとを含む。
【００５２】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、結晶材は、上記のレーザ結晶化方法によって作製された、結晶粒界に包囲された結晶からなる。
【００５３】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、結晶材は、上記のレーザ結晶化方法によって作製された、矩形状の結晶材である。
【００５４】
また、本発明のさらに他の局面にしたがうと、半導体素子は、上記の結晶材を用いて作製されるとともに、自素子のチャネル領域が結晶粒界によって包囲される結晶領域内に形成されている。
【発明の効果】
【００５５】
上記レーザ結晶化装置、マスク、レーザ結晶化方法を用いることにより、粒内欠陥を抑制した高品質な結晶を作製することができる。また、当該作製された結晶を結晶材として用いることにより、高性能な半導体素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施の形態にかかるレーザ結晶化装置について、図１〜図１２に基づいて説明すると、以下のとおりである。
【００５７】
図１は、レーザ結晶化装置１の概略構成を示した図である。
レーザ結晶化装置１は、同図に示すとおり、レーザ光発振器１０と、可変減衰器１１と、ミラー１２と、ミラー１３と、照明光学素子１４と、投影マスク１５と、結像レンズ１６と、ミラー１７と、ステージ１８と、制御装置１９とを備えている。また、ステージ１８上には、レーザ光の照射対象となる被処理物２０が載置される。
【００５８】
ここで、レーザ結晶化装置１の各部材１０〜１９の説明に先立ち、被処理物２０について説明する。図２は、被処理物２０の断面を示した断面図である。
【００５９】
被処理物２０は、基板２１と、基板２１上に形成された下地膜２２と、下地膜２２上に形成された半導体薄膜２３とから構成されている。
【００６０】
基板２１は、光透過性を有する透明基板である。基板２１としては、たとえばガラス基板または石英基板等を用いることができる。なかでも、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点から、基板２１としてはガラス基板を用いることが好ましい。
【００６１】
下地膜２２は、主として、レーザ光による半導体薄膜２３についての溶融と結晶化との際に、溶融した半導体薄膜２３の熱による影響が基板２１に及ばないようにするための膜である。下地膜２２を形成することにより、基板２１から半導体薄膜２３への不純物の拡散を防止することもできる。下地膜２２の材料としては、たとえば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの誘電体材料を用いることができる。下地膜２２は、たとえば、蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等により、例えば１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに基板２１上に形成される。ここでは、下地膜の膜厚を１００ｎｍとする。
【００６２】
半導体薄膜２３は、アモルファスシリコン膜である。半導体薄膜２３は、例えば、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスト化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、スパッタリング等により下地膜２２上に生成することができる。なお、この時点で、半導体膜３７は、アモルファス（非晶質）の状態である。なお、ここでは、半導体薄膜の膜厚を５０ｎｍとする。
【００６３】
また、半導体薄膜２３としては、半導体特性を示すものであれば特に限定なく用いることができるが、結晶質半導体膜における結晶成長の長さを長くすることにより種々の特性が顕著に向上する非晶質シリコン膜を用いることが好ましい。半導体薄膜２３の材質は、シリコンからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウム等の他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質を用いることもできる。
【００６４】
次に、レーザ結晶化装置１の各部材１０〜１９について説明する。
レーザ光発振器１０は、パルス発振によりパルス状のレーザ光を出射する。レーザ光発振器１０は、固体状態にある半導体薄膜２３への吸収率が高い範囲の波長を有するパルス状のレーザ光を照射することができるものであれば、特に限定されるものではない。ただし、たとえば紫外域（１ｎｍ以上４００ｎｍ以下）の波長を有するレーザ光を照射できるものであることが好ましい。また、レーザ光発振器１０から照射されるレーザ光の１回の照射あたりのエネルギー量は、固体状態の半導体薄膜２３の厚さ方向に亘って溶融させるエネルギー量以上としている。例えば、レーザ光発振器１０から照射されるレーザ光としては、波長が３０８ｎｍの塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ光を挙げることができる。
【００６５】
ここで、半導体薄膜２３としてアモルファスシリコンを用いた場合、アモルファスシリコン膜の膜厚が５０ｎｍのとき、例えば、レーザ光の発振パルス時間を約６０ｎｓｅｃ、発振周期を３００Ｈｚ、レーザ光の強度を約５００ｍＪ／ｃｍ２とすればよい。
【００６６】
可変減衰器１１は、レーザ光の吸収や散乱を通じて、レーザ光発振器１０から出射されたパルスレーザ光のパワーを減衰させる。特に、可変減衰器１１は、外部からの信号もしくは調節つまみによってその減衰量を変化させることができる。より詳しくは、可変減衰器１１は、レーザ発振器１０から発せられたレーザ光の透過率を設定可能に構成されており、透過率を変えることによってレーザ発振器１０から発せられたレーザ光の照度を調整する。なお、可変減衰器１１により減衰されたパルスレーザ光は、ミラー１２に向かって出射される。
【００６７】
ミラー１２は、可変減衰器１１から出射したパルスレーザ光を、ミラー１３の方向へ反射する。
【００６８】
ミラー１３は、ミラー１２により反射されたパルスレーザ光を、照明光学素子１４の方向へ反射する。
【００６９】
照明光学素子１４は、ホモジナイザやフィールドレンズ（視野レンズ）を備えている。照明光学素子は、ミラー１３により反射されたパルスレーザ光を、所望の寸法に整形し、当該整形したレーザ光を均一の強度のレーザ光として、投影マスク１５の方向へ出射する。
【００７０】
投影マスク１５は、複数のスリットパターン（光透過パターン）を備えており、照明光学素子１４から出射したレーザ光を、各スリットパターンを介して通過させる。ここで、本実施の形態においては、スリットパターンとは、１つのスリット（つまり、１つの開口部）を指す。なお、投影マスク１５の詳細については、後述する。
【００７１】
結像レンズ１６は、投影マスク１５上の像をレーザ結晶化装置１の光学設計により決定される倍率で非晶質半導体薄膜２３の表面上に結像させる。したがって、投影マスク１５のスリットパターンと被処理物２０の表面上に照射される像とは相似となる。
【００７２】
ミラー１７は、結増レンズ１６から出射したパルスレーザ光を被処理物２０の方向へ反射する。
【００７３】
ステージ１８は、予め定める第１移動方向（図１では紙面の左右方向）Ｘと、第１移動方向Ｘおよびステージ２８の厚み方向に垂直な方向である第２移動方向（図１では紙面に垂直な方向）Ｙとに移動可能に構成される。ステージ２８上には、レーザ光の照射対象物（被処理物）である被処理物２０が載置される。
【００７４】
制御装置１９は、レーザ光発振器１０におけるレーザ光の出射のタイミングと、ステージ１８の位置を制御する。制御装置１９について、より詳しく説明すると、以下のとおりである。
【００７５】
制御装置１９は、中央演算処理装置（ＣＰＵ（Central Processing Unit））を備える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。制御装置１９には、レーザ光発振器１１およびステージ１８が電気的に接続されている。制御装置１９は、レーザ光発振器１１の出力を制御するとともに、ステージ１８の第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙへの駆動を制御する。具体的には、制御装置１９は、レーザ光発振器１１から発せられるレーザ光３１の発振パルス時間および周期を制御するとともに、ステージ１８上に載置される被処理物２０の位置を制御する。
【００７６】
ここで、レーザ光の発振パルス時間および周期の制御は、以下の手法により実現される。まず、例えば被処理物２０の結晶化処理条件毎に予め定められる発振パルス時間および周期を関連情報として対応表を生成し、当該対応表を制御装置１９の記憶部（図示せず）に記憶しておく。そして、制御装置１９は、記憶部から読出した上記対応表の関連情報に基づく制御信号をレーザ光発振器１１に与える。これにより、レーザ光の発振パルス時間および周期の制御が実現される。なお、上記発振パルス時間、上記周期、およびレーザ光の強度等の各値は、予め実験にて求めておく。
【００７７】
一方、ステージ１８の駆動制御については、予め制御装置１９に与えられる情報に基づいて数値制御（ＮＣ（Numerical Control））を行って駆動制御を行ってもよいし、あるいは、被処理物２０の位置を検出する位置センサを設け、位置センサからの検出出力に応答して駆動制御を行ってもよい。
【００７８】
以上のように、レーザ結晶化装置１においては、制御装置１９からの制御信号に従ってレーザ光発振器１０から出射されたレーザ光が、可変減衰器１１と、照明光学素子１４と、投影マスク１５と、結像レンズ１６とをこの順に通り、ステージ１８上に載置された被処理物２０の表面（素子の厚み方向の一表面部）に対し入射する。
【００７９】
なお、所定の位置にステージ１８が移動し、かつ所定のタイミングでレーザ光の照射がなされるのであれば、ステージ１８を連続移動させながらレーザ光を被処理物２０に照射する方式としてもよいし、あるいはステージ１８をステップ＆リピートさせながらレーザ光を照射する方式としてもよい。なお、以下では、ステージ１８を連続移動させながらレーザ光を被処理物２０に照射するものとして説明する。
【００８０】
ここで、投影マスク１５の詳細について説明する。図３は、角型結晶を形成するための投影マスク１５の構成を示した図である。
【００８１】
投影マスク１５は、例えば合成石英基板（以下、マスク基板と称する）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。投影マスク１５には、、３個の第１スリットパターン１５−１と、３個の第２スリットパターン１５−２、３個の第３スリットパターン１５−３、３個の第４スリットパターン１５−４が形成されている。なお、図３のマスク構成は一例であって、各スリットパターンの数は３個に限定されるものではない。各スリットパターンが、それぞれ少なくとも１つ以上存在すればよい。
【００８２】
これらのスリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，１５−４）は、マスク基板の厚み方向に貫通し、被処理物２０の半導体薄膜２３を結晶化させるための光を透過させるために設けられたスリットである。また、各スリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，１５−４）における３個のスリットパターンは互いに平行に配されている。また、本実施の形態では、各スリットパターンのスリット幅とスリット長とは、互いに同じとする。一方、投影マスク１５における上記各スリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，１５−４）以外の部分は、光を透過しない非透過部１５−ｓである。
【００８３】
なお、本実施の形態の投影マスク１５は、同図に示すように、マスクの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。また、各スリットパターンの形状も長方形形状をしている。
【００８４】
投影マスク１５は、第１領域、第２領域、第３領域、および第４領域といった４個の領域から構成されている。換言すると、投影マスク１５は、第１領域に対応する第１ブロックＢ１、第２領域に対応する第２ブロックＢ２、第３領域に対応する第３ブロックＢ３、および第４領域に対応する第４ブロックＢ４を含む構成である。以下の説明では、説明の便宜上、第１領域を第１ブロックＢ１と、第２領域を第２ブロックＢ２と、第３領域を第３ブロックＢ３と、第４領域を第４ブロックＢ４と称する。
【００８５】
上記各ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）は、投影マスク１５の厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク１５の短手方向に延びる長方形状である。また、第１ブロックＢ１、第２ブロックＢ２、第３ブロックＢ３および第４ブロックＢ４は、この順で投影マスク１５の長手方向に一列に並んで設けられる。
【００８６】
また、各ブロックとも、図３に示すとおり、投影マスク１５の相対移動方向（長手方向）の長さが、Ｗとなっている。さらに、各ブロックとも、投影マスク１５の短手方向の長さが同一である。
【００８７】
なお、上記各ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）の各々を独立した４個の投影マスクとし、これら４個の投影マスクにより投影マスク１５と同じ機能を発揮させる構成しても、同様の効果を得ることが可能である。しかしながら、本実施の形態に開示するがごとく、１つの投影マスク内で領域を分割する形態とする方が、４個の投影マスクにより投影マスク１５と同じ機能を発揮させる構成をとる場合よりも、半導体薄膜製造効率の面で好ましい。
【００８８】
次に、各ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）と、各スリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，１５−４）との関係について説明する。
【００８９】
第１ブロックＢ１には、上述した３個の第１スリットパターン１５−１が形成されている。また、第２ブロックＢ２には、第１スリットパターン１５−１と平行に、上述した３個の第２スリットパターン１５−２が形成されている。また、第３ブロックＢ３には、第１スリットパターン１５−１および第２スリットパターン１５−２に対して垂直に、上述した３個の第３スリットパターン１５−３が形成されている。また、第４ブロックＢ４には、上述した３個の第４スリットパターン１５−４が形成されている。ここで、第４スリットパターン１５−４の方向は、第１スリットパターン１５−１および第２スリットパターン１５−２と平行に形成されている。
【００９０】
第１スリットパターン１５−１、第２スリットパターン１５−２、および第４スリットパターン１５−４は、投影マスク１５の長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク１５の短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内において、予め定める第１方向（本実施の形態では第２軸線方向）に延びている。各ブロックにおける３個のスリットパターンは、スリットパターン（１５−１，１５−２，１５−４）に関しては、投影マスク１５の長手方向に間隔をあけて形成されている。
【００９１】
ここで、ブロックＢ１側を先頭側と、ブロックＢ４側を後尾側とする。また、３個の第１スリットパターン１５−１を、先頭側から順に、第１スリットパターン１５−１ａ、第１スリットパターン１５−１ｂ、第１スリットパターン１５−１ｃとする。さらに、３個の第２スリットパターン１５−２を、先頭側から順に、第２スリットパターン１５−２ａ、第２スリットパターン１５−２ｂ、第２スリットパターン１５−２ｃとする。さらに、３個の第４スリットパターン１５−４を、先頭側から順に、第４スリットパターン１５−４ａ、第４スリットパターン１５−４ｂ、第４スリットパターン１５−４ｃとする。
【００９２】
第１スリットパターン１５−１ａは、図３に示すとおり、ブロックＢ１の先頭側端部からｄ１の場所に設けられている。また、第２スリットパターン１５−２ａは、図３に示すとおり、ブロックＢ２の先頭側端部からｄ２の場所に設けられている。また、第４スリットパターン１５−４ａは、図３に示すとおり、ブロックＢ４の先頭側端部からｄ４の場所に設けられている。
【００９３】
ここで、各スリットパターンのスリット幅をＷｐとすると、ｄ１とｄ２との間には、０＜ｄ１−ｄ２＜Ｗｐといった関係が成立している。また、ｄ２とｄ４との間には、０＜ｄ４−ｄ２＜Ｗｐといった関係が成立している。
【００９４】
つまり、第２スリットパターン１５−２ａの一部が、上記第２方向（マスクの長手方向）の一方の向き側において第１スリットパターン１５−１ａと重なり、第４スリットパターン１５−４ａの一部が、上記第２方向の他方の向き側において第２スリットパターン１５−２ａと重なっている。
【００９５】
また、第１スリットパターン１５−１ｂと、第２スリットパターン１５−２ｂと、第４スリットパターン１５−４ｂとの間の位置関係についても、同様である。つまり、第２スリットパターン１５−２ｂの一部が、上記第２方向の一方の向き側において第１スリットパターン１５−１ｂと重なり、第４スリットパターン１５−４ｂの一部が、上記第２方向の他方の向き側において第２スリットパターン１５−２ｂと重なっている。
【００９６】
さらに、第１スリットパターン１５−１ｃと、第２スリットパターン１５−２ｃと、第４スリットパターン１５−４ｃとの間の位置関係についても、同様である。つまり、第２スリットパターン１５−２ｃの一部が、上記第２方向の一方の向き側において第１スリットパターン１５−１ｃと重なり、第４スリットパターン１５−４ｃの一部が、上記第２方向の他方の向き側において第２スリットパターン１５−２ｃと重なっている。
【００９７】
第３スリットパターン１５−３は、第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める第２方向（本実施の形態では第１軸線方向）に延びている。各第３スリットパターン１５−３は、それぞれに、投影マスク１５の短手方向に間隔をあけて形成されている。なお、以下では、図３の上側の第３スリットパターン１５−３から順に、第３スリットパターン１５−３ａ、第３スリットパターン１５−３ｂ、第３スリットパターン１５−３ｃとする。
【００９８】
次に、レーザ結晶化装置１によって、ステージ１８に載置される被処理物２０の半導体薄膜２３を結晶化する一連の処理工程について説明する。なお、以下では、半導体薄膜２３を結晶化する工程を結晶化工程と、ステージを移動させる工程を移動工程と称する。
【００９９】
被処理物２０の下地膜２２上の半導体薄膜２３の延設方向（図２では矢符Ｅで示す方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、まず、半導体薄膜２３の図２の矢符Ｆで示す領域（以下、領域Ｆと称する）以外の領域をマスキングする。そして、レーザ光発振器１１から発せられるレーザ光を半導体薄膜２３の上記領域Ｆに照射する。これにより、半導体薄膜２３に熱を誘導する。
【０１００】
より詳しくは、半導体薄膜２３上の第１照射領域に第１照射パターンを形成する工程において、半導体薄膜２３を結晶化させるべき上記第１方向にレーザ光が延びた第１照射パターンを形成する。そして、ステージを所定の方向（図１の第１移動方向Ｘ）における一方の所定の向きに所定の距離（図３のＷ）だけ移動させる。つまり、被処理物２０を第１移動方向Ｘにおける一方の所定の向きに距離Ｗだけ移動させる。
【０１０１】
次いで、半導体薄膜２３上の第２照射領域に上記第１照射パターンと平行となる第２照射パターンを形成する工程において、半導体薄膜２３を結晶化させるべき上記第１方向にレーザ光が延びた第２照射パターンを形成する。そして、ステージを上記と同様に距離Ｗだけ移動させる。
【０１０２】
次いで、半導体薄膜２３上の第３照射領域に上記第１照射パターンおよび第２照射パターンと垂直となる第３照射パターンを形成する工程において、半導体薄膜２３を結晶化させるべき上記第２方向にレーザ光が延びた第３照射パターンを形成する。そして、ステージを上記と同様に距離Ｗだけ移動させる。
【０１０３】
次いで、半導体薄膜２３上の第４照射領域に上記第１照射パターンおよび第２照射パターンと平行となる第４照射パターンを形成する工程において、半導体薄膜２３を結晶化させるべき上記第１方向にレーザ光が延びた第４照射パターンを形成する。
【０１０４】
なお、第１照射領域、第２照射領域、第３照射領域、および第４照射領域は、上述した図２に示す領域Ｆに相当する。つまり、第１照射領域、第２照射領域、第３照射領域、および第４照射領域は、それぞれ名称は異なるものの、いずれも同一の領域である。
【０１０５】
このように半導体薄膜２３の領域Ｆにレーザ光を照射し、半導体薄膜２３に熱を誘導することによって、半導体薄膜２３に照射されたレーザ光のエネルギが熱エネルギに変換される。このエネルギ変換により、半導体薄膜２３の領域Ｆに熱を誘導することができ、その結果、半導体薄膜２３をその厚み方向にわたって溶融することができる。次に、領域Ｆが溶融されている状態の半導体薄膜２３を冷却する。この冷却によって、溶融された状態の領域Ｆが凝固し、該領域Ｆにおいて結晶化が起こる。
【０１０６】
また、上述したとおり、レーザ光の照射とステージの移動とを行うことにより、第１照射パターン、第２照射パターン、第３照射パターン、第４照射パターンの順に照射パターンが半導体薄膜２３上に形成され、半導体薄膜２３を逐次結晶化する。
【０１０７】
このように、本実施の形態においては、結晶化工程と移動工程とを交互に行う繰返工程によって、半導体薄膜２３を結晶化する。具体的に述べると、繰返工程においては、レーザ光発振器１１から発せられ、投影マスク１５の第１〜第４のスリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，１５−４）を透過したレーザ光を半導体薄膜２３に対して照射し、半導体薄膜２３のレーザ光が照射された領域を結晶化する結晶化工程と、ステージ１８を第１移動方向Ｘの一方に、第１〜第４ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）の短手方向寸法Ｗに相当する距離寸法だけ移動させる移動工程とを交互に行う。本実施の形態では、結晶化工程を４回行い、移動工程を３回行う。
【０１０８】
次に、上述した繰返工程を行うことによって半導体薄膜２３に形成される結晶の成長過程について、図４〜図７に基づいて説明する。なお、以下においては、説明の便宜上、第１スリットパターン１５−１、第２スリットパターン１５−２、第３スリットパターン１５−３、および第４スリットパターン１５−４とに、それぞれ、第１スリットパターン１５−１ａ、第２スリットパターン１５−２ａ、第３スリットパターン１５−３ａ、および第４スリットパターン１５−４ａである場合を例に挙げて説明する。
【０１０９】
図４は、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示した図である。
第１回目の結晶化工程において、レーザ光発振器１１から発せられ、投影マスク１５の第１ブロックＢ１の第１スリットパターン１５−１を透過したレーザ光を、ステージ１８上に載置される被処理物２０の半導体薄膜２３に照射する。このレーザ光の照射により、当該レーザ光が照射された半導体薄膜２３の領域は結晶化されて、図４に示すように結晶４２が形成される。
【０１１０】
このとき、第１スリットパターン１５−１を透過したレーザ光により得られる第１照射パターンのエッジ部において、核生成によって結晶核が形成される。その後、結晶成長が第１照射パターンの中心部に向けてそれぞれ図４に示すＡ方向とＢ方向とに進行する。そして、第１照射パターンの中心部で両側のエッジ部から成長してきた結晶粒が衝突し、「リッジ」と呼ばれる突起部４４を形成する。これにより、第１回目の結晶化工程は終了する。
【０１１１】
ところで、第１照射パターンのエッジ部における核生成領域で形成された結晶粒は、結晶方位によって成長速度が異なり、互いに競争しながら成長する。この際、初期形成された時点で比較的大きい粒径を有する結晶４２が優先的に成長する。結晶粒の成長初期には、このような競争的成長が生じる。特に照射パターンのエッジ近傍は、数多くの結晶粒が集まってなる微細結晶粒４３の領域をなす。また、第１照射パターンの中央部まで優先的に成長した結晶４２は、結晶成長に伴って結晶粒幅が拡がっていく様相を呈し、その結果、第１照射パターンのエッジ部から中央部にかけてすり鉢状の形状をなす。
【０１１２】
その後、第１回目の移動工程において、ステージ１８を、図３に示したマスク移動方向に、投影マスク１５の第１〜第４ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）の短手方向寸法Ｗに相当する距離だけ移動させる。
【０１１３】
図５は、第１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０１１４】
第２回目の結晶化工程においては、レーザ光発振器１１から発せられ、投影マスク１５の第２ブロックＢ２の第２スリットパターン１５−２を透過したレーザ光を、第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体薄膜２３に対して照射する。この照射によって、第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体薄膜２３のうち、レーザ光が照射された領域が結晶化される。これにより、図５に示すように、第１回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して、新たな結晶４２が形成される。
【０１１５】
２回目の結晶化工程で用いる第２スリットパターン１５−２は、上述したとおり、第１スリットパターン１５−１と平行に形成されている。このため、第１回目の結晶化工程と同様に、第２スリットパターン１５−２を透過したレーザ光により得られる第２照射パターンの両側のエッジ部からの結晶粒の成長が、図５に示すＡ方向とＢ方向とに進行する。そして、第２照射パターンの中心部で両側のエッジ部から成長されてきた結晶粒が衝突し、突起部４４を形成する。これにより、第２回目の結晶化工程は終了する。
【０１１６】
ここで、第２スリットパターン１５−２は、上述したとおりステージ１８を距離Ｗだけ移動させることにより、第２照射パターンの片側のエッジ部を含む領域が第１照射パターンによる結晶化領域の一部と重畳して重畳領域４５を形成するように、第２ブロックＢ２に配設されている。
【０１１７】
重畳領域４５においては、第２照射パターンの片側のエッジ部が、第１照射パターンにより形成された結晶化領域と重なる。このため、重畳領域４５での結晶化は、第１照射パターンにより形成された結晶４２および微細結晶粒４３をシードとして進行していく。
【０１１８】
このとき、重畳領域４５の再結晶化により、図５に示すとおり、微細結晶粒４３は消滅する。しかしながら、同図に示すとおり、第１照射パターンと第２照射パターンとの重畳量によっては、消滅することなく残存する微細結晶粒４３もある。
【０１１９】
また、第１照射パターンによる結晶化により、第２照射パターンの中央部まで優先的に成長したすり鉢状の結晶４２が、第２照射パターンによる結晶化によって第１回目の結晶化工程とは反対の方向に引き継がれる。その結果、すり鉢状の結晶４２が、前記第１照射パターンの中央部および第２照射パターンの中央部に形成された２つの突起部４４に挟まれた砂時計形状を有した結晶４２となる。
【０１２０】
その後、第２回目の移動工程において、ステージ１８を、図３に示したマスク移動方向に、投影マスク１５の第１〜第４ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）の短手方向寸法Ｗに相当する距離だけ移動させる。
【０１２１】
図６は、第２回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０１２２】
第３回目の結晶化工程において、第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体薄膜２３に対して、レーザ光発振器１１から発せられ、投影マスク１５の第３ブロックＢ３の第３スリットパターン１５−３を透過したレーザ光を照射する。これによって、第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体薄膜２３のうち、レーザ光が照射された領域は結晶化される。これにより、図６に示すとおり、第１回目および第２回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。
【０１２３】
３回目の結晶化工程で用いる第３のスリットパターン１５−３は、上述したとおり、第１スリットパターン１５−１および第２スリットパターン１５−２と直交するように形成されている。このため、第１および第２の結晶化工程と同様に、第３のスリットパターン１５−３を透過したレーザ光により得られる第３の照射パターンのエッジ部からの結晶粒の成長が、図６に示すＣ方向とＤ方向に進行する。そして、第３照射パターンの中心部で両側のエッジ部から成長されてきた結晶粒が衝突し、突起部４４を形成する。これにより、第３回目の結晶化工程は終了する。
【０１２４】
ここで、第３スリットパターン１５−３は、上述したとおりステージ１８を距離Ｗだけ移動させることにより、第３照射パターンが、第１照射パターンによる結晶化領域、第２照射パターンによる結晶化領域、および重畳領域４５と重畳して、新たな重畳領域４６を形成するように、第３ブロックＢ３に配設されている。
【０１２５】
重畳領域４６においては、第３照射パターンのエッジ部が、先の第１照射パターンおよび第２照射パターンにより形成された結晶化領域と重なる。このため、重畳領域４６での結晶化は、先の結晶化工程により形成された結晶４２と、微細結晶粒４３が一部残存している場合は当該微細結晶粒４３とをシードとして進行していく。
【０１２６】
この時、第１照射パターンの中央部に形成された突起部（リッジ）と第２照射パターンの中央部に形成された突起部（リッジ）とで挟まれた結晶粒の長さが、第３照射パターンにより形成された結晶粒の幅（上記結晶粒の長さと同方向の長さ）となるとともに、横方向および縦方向に対して等方的な結晶が形成されることが、理想的である。
【０１２７】
しかしながら、前記第３照射パターンの長辺側のエッジ部と、上記第１照射パターンと第２照射パターンとにより形成された砂時計形状を有する結晶粒の粒界、あるいは上記残存した微細結晶粒４３の粒界とは平行にならない。それゆえ、これらの結晶粒界も同時に縦方向に引き継がれる。したがって、実際には、第１照射パターンの中央部に形成されたリッジと第２照射パターンの中央部に形成されたリッジとで挟まれた結晶粒から複数の結晶粒が成長し、第１照射パターンと第２照射パターンとの重畳領域４５の中央部近傍に結晶粒界が形成される場合もある。
【０１２８】
その結果、典型的には、図６に示すとおり、結晶４２は、第１および第２照射パターンの中央部から重畳領域４５の端部に至る幅を有する結晶４２−ａと、重畳領域４５の中央部近傍の結晶４２−ｂとで構成されることになる。ここで、結晶４２−ａは単一の方位からなる高品質な単結晶である。
【０１２９】
その後、第３回目の移動工程において、ステージ１８を、図３に示したマスク移動方向に、投影マスク１５の第１〜第４ブロック（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）の短手方向寸法Ｗに相当する距離だけ移動させる。
【０１３０】
図７は、第３回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０１３１】
第４回目の結晶化工程において、第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体薄膜２３に対して、レーザ光発振器１１から発せられ、投影マスク１５の第４ブロックＢ４の第４のスリットパターン１５−４を透過したレーザ光を照射する。これによって、前記第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体薄膜２３のうちレーザ光が照射された領域は結晶化される。これにより、図７に示すとおり、第１〜第３回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。
【０１３２】
４回目の結晶化工程で用いる第４スリットパターン１５−４は、上述したとおり、第１スリットパターン１５−１および第２スリットパターン１５−２と平行に形成されている。このため、第１回目および第２回目の結晶化工程と同様に、前記第４スリットパターン１５−４を透過したレーザ光により得られる第４照射パターンのエッジ部からの結晶粒の成長が、図７に示すＡ方向とＢ方向とに進行する。そして、第４照射パターンの中心部で両側エッジ部から成長されてきた結晶粒が衝突し、突起部４４を形成する。これにより、第４回目の結晶化工程は終了する。
【０１３３】
ここで、第４スリットパターン１５−４は、上述したとおりステージ１８を距離Ｗだけ移動させることにより、第４照射パターンの片側エッジが、図６に示した結晶４２のうち、第１照射パターンおよび第２照射パターンの中央部（つまり、第１照射パターンおよび第２照射パターンにより結晶化された結晶の突起部４４）から重畳領域４５の端部近傍に至る幅を有する高品質な結晶４２−ａと重畳するように配設されている。
【０１３４】
さらに好ましくは、図７に示す第４照射パターンの右側の片側エッジと、第２照射パターンの中央部（つまり、第２照射パターンにより結晶化された結晶の突起部４４）との距離Ｌが、第２照射パターンのスリット幅をＷｐ、第１スリットパターンと第２スリットパターンとの重畳量の短辺幅をＯＬ１２としたときに、０＜Ｌ≦Ｗｐ／２−ＯＬ１２といった関係が成立するように、第４スリットパターンを構成してもよい。
【０１３５】
なお、これに限定されず、第４照射パターンの片側エッジが、結晶４２−ａと重畳することなく結晶４２−ｂと重畳するように、第４スリットパターンを構成してもよい。ただし、結晶４２−ａと重畳させる方が、（大きな）高品質な結晶を確実に得ることができる。
【０１３６】
ところで、４回目の結晶化工程終了後に形成された結晶４２は、第１〜第３結晶化工程で形成された高品質な単結晶４２−ａをシードとして拡大したものである。このため、図７に示す、最終的に形成された結晶４２は、欠陥のない高品質な結晶となる。
【０１３７】
以上のように、レーザ結晶化装置１は、半導体薄膜２３に投影マスク１５を介してレーザ光の照射を行い、半導体薄膜２３を結晶化させるレーザ結晶化装置であって、半導体薄膜２３が生成された被処理物２０を載置するステージ１８と、ステージ１８の移動およびレーザ光の照射タイミングを制御する制御装置１９とを備える。
【０１３８】
また、投影マスク１５は、以下の構成であるといえる。
投影マスク１５は、第１スリットパターン１５−１を有し、当該第１スリットパターン１５−１を介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを半導体薄膜２３上に形成するための第１ブロックＢ１（第１マスク要素）を備える構成である。また、投影マスク１５は、第２スリットパターン１５−２を有し、ステージ１８の移動の後、当該第２スリットパターン１５−２を介した第２レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第２照射パターンを半導体薄膜２３上に形成するための第２ブロックＢ２（第２マスク要素）を備える構成である。
【０１３９】
さらに、投影マスク１５は、第３スリットパターン１５−３を有し、ステージ１８の移動の後、当該第３スリットパターン１５−３を介した第３レーザ光の照射によって、第１照射パターンおよび第２照射パターンと直交する第３照射パターンを半導体薄膜２３上に形成するための第３ブロックＢ３（第３マスク要素）を備える構成である。また、投影マスク１５は、第４スリットパターン１５−４を有し、ステージ１８の移動の後、当該第４スリットパターン１５−４を介した第４レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するための第４ブロックＢ４（第４マスク要素）を備える構成である。
【０１４０】
そして、レーザ結晶化装置１では、第３レーザ光の照射により、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成する。さらに、レーザ結晶化装置１では、第４照射パターンが上記種結晶領域の一部と重畳する。
【０１４１】
ところで、第１スリットパターン１５−１と第３スリットパターン１５−３とを用いれば、種結晶を形成することが可能である。しかしならが、本実施の形態では、高品質な結晶粒を形成するために、第２スリットパターン１５−２を用いたレーザ光の照射を行っている。
【０１４２】
図８は、第１スリットパターン１５−１と第３スリットパターン１５−３とを用いた場合に形成される種結晶を説明するための図である。同図に示すとおり、第１スリットパターン１５−１と第３スリットパターン１５−３とが重畳して形成された種結晶領域（例えば、図の太線で囲まれた矩形領域）においては、特に第１スリットパターンのエッジ部近傍に多数の結晶粒界が形成される傾向にある。
【０１４３】
また、当該形成される結晶粒界の領域の発生および発生位置は、非常に不確定である。このため、当該領域を種結晶として結晶拡大を行えば、初期に形成された粒界を引き継いで結晶拡大が実行されることになる。それゆえ、品質の悪い結晶が形成されやすくなる。
【０１４４】
一方、本実施の形態に示すとおり第２スリットパターンを用いたレーザ光の照射を行うことにより、エッジ部近傍の微細結晶を消滅されることができ、その結果、上述した不確定に発生する結晶粒界の発生を抑制することが可能となる。
【０１４５】
ところで、第１照射パターンに対する第２照射パターンの重畳量が、第１照射パターンの短辺幅の１／４以上であって、かつ１／２未満となるように、第１照射パターンを形成するための第１スリットパターン１５−１が形成される第１領域と、第２照射パターンを形成するための第２スリットパターン１５−２が形成される第２領域が配設されていることが好ましい。
【０１４６】
このような構成とすることにより、図５および図６に示した重畳領域４５における再結晶化によって、微細結晶粒４３を確実に消滅させることができる。また、当該構成により、第１照射パターンの中央部および第２照射パターンの中央部に形成された２つの突起部４４に挟まれた砂時計形状を有した結晶４２の粒界が、さらに平行に近い状態となる。
【０１４７】
したがって、以後の第３照射パターンによる結晶化工程において、第１照射パターンと第２照射パターンの重畳領域４５の中央部近傍に結晶粒界が形成されにくくなる。それゆえ、第１照射パターンの中央部に形成された突起部４４と第２照射パターンの中央部に形成された突起部４４とで挟まれた結晶粒の長さが、第３照射パターンにより形成される結晶粒の幅となる。
【０１４８】
これにより、第３照射パターンによる結晶化工程の終了後に形成された単結晶のシードが、より所望の位置（例えば、図６における種結晶４２−ａの上側（矢符号Ｄ方向側）に隣接する他の種結晶が生成されているような位置）に形成しやすくなる。その結果、以降の結晶粒拡大工程において、より確実な単結晶の拡大が可能となる。
【０１４９】
ところで、上記においては、第１ブロックＢ１、第２ブロックＢ２、第３ブロックＢ３、および第４ブロックＢ４が、この順で投影マスク１５の長手方向に一列に並んで設けられる形態を例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。第１スリットパターン１５−１、第３スリットパターン１５−３、および第２スリットパターン１５−２が、この順番に形成されるように、第１ブロックＢ１、第３ブロックＢ３、第２ブロックＢ２、および第４ブロックＢ４が、この順で投影マスク１５の長手方向に一列に並んで設けられる形態としてもよい。なお、以下では、説明の便宜上、このようなブロックの配列を有する投影マスクを、変形投影マスクと称する。
【０１５０】
図９は、変形投影マスクを用いた場合における、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示した図である。また、図１０は、変形投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。さらに、図１１は、変形投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。また、図１２は、変形投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０１５１】
ここで、上記変形投影マスクを用いた場合、第３スリットパターン１５−３を用いた第２回目の結晶化工程において、第１照射パターンと第２照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域の形成が開始される。そして、このように第１照射パターンと第２照射パターンとの重畳領域において単結晶の種結晶領域の形成が開始された後、さらに第３照射パターンを重畳させることにより、図８に示した種結晶内の安定結晶の領域を拡大させる。この拡大された安定結晶の領域の形成により、単結晶の種結晶領域の形成が完了する。
【０１５２】
このように、変形投影マスクは、以下の構成であるといえる。
変形投影マスクは、第１スリットパターン１５−１を有し、当該第１スリットパターン１５−１を介した第１レーザ光の照射によって、第１照射パターンを半導体薄膜２３上に形成するための第１ブロックＢ１（第１マスク要素）を備える構成である。また、変形投影マスクは、第３スリットパターン１５−３を有し、ステージ１８の移動の後、当該第３スリットパターン１５−３を介した第２レーザ光の照射によって、前記第１照射パターンと直交する第２照射パターンを半導体薄膜２３上に形成するための第３ブロックＢ３（第２マスク要素）を備える構成である。
【０１５３】
さらに、変形投影マスクは、第２スリットパターン１５−２を有し、ステージ１８の移動の後、当該第２スリットパターン１５−２を介した第３レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行であるとともに当該第１照射パターンの端部の一部を重畳する第３照射パターンを半導体薄膜２３上に形成するための第２ブロックＢ２（第３マスク要素）を備える構成である。また、変形投影マスクは、第４スリットパターン１５−４を有し、ステージ１８の移動の後、当該第４スリットパターン１５−４を介した第４レーザ光の照射によって、第１照射パターンと平行である第４照射パターンを形成するための第４ブロックＢ４（第４マスク要素）を備える構成である。
【０１５４】
そして、当該変形投影マスクを用いたレーザ結晶化装置では、第３レーザ光の照射により、第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとの重畳領域に単結晶の種結晶領域を形成する。さらに、当該レーザ結晶化装置では、第４照射パターンが上記種結晶領域の一部と重畳する。
【０１５５】
このような変形投影マスクを用いた場合にも、４回目の結晶化工程終了後に形成された結晶４２は、第１〜第３結晶化工程で形成された高品質な単結晶４２−ａをシードとして拡大したものである。このため、図１２に示す、最終的に形成された結晶４２は、欠陥のない高品質な結晶となる。
【０１５６】
このように、第１ブロックＢ１、第３ブロックＢ３、第２ブロックＢ２、および第４ブロックＢ４が、この順で投影マスク１５の長手方向に一列に並んで設けられる形態としても、図３に示した投影マスク１５を用いたときと同様の効果を得ることができる。
【０１５７】
〔実施の形態２〕
本実施の他の形態にかかるレーザ結晶化装置について、図１３〜図１８に基づいて説明すると、以下のとおりである。
【０１５８】
本発明のレーザ結晶化装置は、投影マスク１５ａを備える点において投影マスク１５を備える実施の形態１におけるレーザ結晶化装置１と異なる。本実施の形態にかかるレーザ結晶化装置における他の構成については、レーザ結晶化装置１と同じである。なお、以下においては、実施の形態１と同じ部材については、同一の符号を付し、当該部材の説明を省略する。
【０１５９】
図１３は、角型結晶を形成するための投影マスク１５ａの構成を示した図である。
投影マスク１５ａには、図１３に示すとおり、３個の第１スリットパターン１５−１と、３個の第２スリットパターン１５−２と、３個の第３スリットパターン１５−３と、３個の第４スリットパターン１５−４とが形成されている。さらに、投影マスク１５ａには、ｎを５以上の自然数とすると、３個の第５スリットパターン、３個の第６スリットパターン、…、３個の第ｎスリットパターン１５−ｎが形成されている。つまり、投影マスク１５ａは、ｎ種類のスリットパターンを備えている。
【０１６０】
なお、図１３の投影マスクの構成は一例であって、各スリットパターンの数は３個に限定されるものではない。各スリットパターンが、それぞれ少なくとも１つ以上存在すればよい。
【０１６１】
これらのスリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，…，１５−ｎ）は、マスク基板の厚み方向に貫通し、被処理物２０の半導体薄膜２３を結晶化させるための光を透過させるために設けられたスリットである。また、各スリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，…，１５−ｎ）における３個のスリットパターンは互いに平行に配されている。また、本実施の形態では、各スリットパターンのスリット幅とスリット長とは、互いに同じとする。一方、投影マスク１５における上記各スリットパターン（１５−１，１５−２，１５−３，…，１５−ｎ）以外の部分は、光を透過しない非透過部１５−ｓである。
【０１６２】
なお、本実施の形態の投影マスク１５ａは、同図に示すように、マスクの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。また、各スリットパターンの形状も長方形形状をしている。
【０１６３】
投影マスク１５ａは、第１領域、第２領域、第３領域、第４領域、…、および第ｎ領域といったｎ個の領域から構成されている。換言すると、投影マスク１５ａは、第１領域に対応する第１ブロックＢ１、第２領域に対応する第２ブロックＢ２、第３領域に対応する第３ブロックＢ３、第４領域に対応する第４ブロックＢ４、…、および第ｎ領域に対応する第ｎブロックＢｎといったｎ個のブロックを含む構成である。以下の説明では、説明の便宜上、第１領域を第１ブロックＢ１と、第２領域を第２ブロックＢ２と、第３領域を第３ブロックＢ３と、第４領域を第４ブロックＢ４と、第ｎ領域を第ｎブロックＢｎと称する。
【０１６４】
さらに、以下では、ｉを５以上ｎ−１以下の任意の自然数とし、第ｉ領域を第ｉブロックＢｉと称する。また、第ｉブロックＢｉを構成する３個のスリットパターンを第ｉスリットパターン１５−ｉと称する。
【０１６５】
上記各ブロック（Ｂ１〜Ｂｎ）は、投影マスク１５の厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク１５ａの短手方向に延びる長方形状である。また、第１ブロックＢ１、第２ブロックＢ２、第３ブロックＢ３、第４ブロックＢ４、…、および第ｎブロックＢｎは、この順で投影マスク１５ａの長手方向に一列に並んで設けられる。
【０１６６】
また、各ブロックとも、図３に示すとおり、投影マスク１５ａの相対移動方向（長手方向）の長さが、図３と同様にＷとなっている。さらに、各ブロックとも、投影マスク１５ａの短手方向の長さが同一である。
【０１６７】
なお、上記各ブロック（Ｂ１〜Ｂｎ）の各々を独立したｎ個の投影マスクとし、これらｎ個の投影マスクにより投影マスク１５ａと同じ機能を発揮させる構成しても、同様の効果を得ることが可能である。しかしながら、本実施の形態に開示するがごとく、１つの投影マスク内で領域を分割する形態とする方が、ｎ個の投影マスクにより投影マスク１５ａと同じ機能を発揮させる構成をとる場合よりも、半導体薄膜製造効率の面で好ましい。
【０１６８】
ところで、第１ブロックＢ１、第２ブロックＢ２、第３ブロックＢ３、および第４ブロックＢ４は、実施の形態１で示した各ブロック（Ｂ１〜Ｂ４）と同じ構成であるため、これらのブロックの構成についての説明は省略する。
【０１６９】
上述した第ｉスリットパターン１５−ｉおよび第ｎスリットパターン１５−ｎは、それぞれ、第１スリットパターン１５−１、第２スリットパターン１５−２、および第４スリットパターン１５−４と平行に形成されている。つまり、第５スリットパターン〜第ｎスリットパターンまでの全てのスリットパターンが、第１スリットパターン１５−１、第２スリットパターン１５−２、および第４スリットパターン１５−４と平行に形成されている。また、第ｉスリットパターン１５−ｉは、投影マスク１５ａの長手方向に間隔をあけて３個形成されている。
【０１７０】
なお、第ｉスリットパターン１５−ｉおよび第ｎスリットパターン１５−ｎの向きは、上記の向きに限定されるものではなく、第２スリットパターン１５−２と平行に形成された構成であってもよい。つまり、第５スリットパターン〜第ｎスリットパターンまでの全てのスリットパターンが、第２スリットパターン１５−２と平行に形成された構成であってもよい。
【０１７１】
ここで、ブロックＢ１側を先頭側と、ブロックＢｎ側を後尾側とする。また、３個の第ｉスリットパターン１５−ｉを、先頭側から順に、第ｉスリットパターン１５−ｉａ、第ｉスリットパターン１５−ｉｂ、第ｉスリットパターン１５−ｉｃとする。さらに、３個の第ｎスリットパターン１５−ｎを、先頭側から順に、第ｎスリットパターン１５−ｎａ、第ｎスリットパターン１５−ｎｂ、第ｎスリットパターン１５−ｎｃとする。
【０１７２】
さらに、第ｉスリットパターン１５−ｉａは、第ｉブロックＢｉの先頭側端部からｄｉの場所に設けられているとする。また、第ｎスリットパターン１５−ｎａは、第ｎブロックＢｎの先頭側端部からｄｎの場所に設けられているとする。
【０１７３】
このように定義すると、ｄｉとｄ（ｉ−１）との間には、０＜ｄｉ−ｄ（ｉ−１）＜Ｗｐ／２といった関係が成立している。また、ｄｎとｄ（ｎ−１）との間にも、０＜ｄｎ−ｄ（ｎ−１）＜Ｗｐ／２といった関係が成立している。なお、Ｗｐはスリット幅である。
【０１７４】
このように、第ｉスリットパターン１５−ｉａの一部が、上記第２方向の一方の向き側において第ｉ−１スリットパターン１５−（ｉ−１）ａと重なっており、第ｎスリットパターン１５−ｎａの一部が、上記第２方向の一方の向き側において第ｎ−１スリットパターン１５−（ｎ−１）ａと重なっている。
【０１７５】
なお、第ｉスリットパターン１５−ｉｂ、および第ｉスリットパターン１５−ｉｃについても、第ｉスリットパターン１５−ｉａで示したことと同様のことが言える。さらに、第ｎスリットパターン１５−ｎｂ、および第ｎスリットパターン１５−ｎｃについても、第ｎスリットパターン１５−ｎａで示したことと同様のことが言える。
【０１７６】
次に、レーザ結晶化装置によって、ステージ１８に載置される被処理物２０の半導体薄膜２３を結晶化する一連の処理工程について説明する。なお、以下では、実施の形態１と同様に、半導体薄膜２３を結晶化する工程を結晶化工程と、ステージを移動させる工程を移動工程とを実行する。
【０１７７】
本実施の形態では、結晶化に用いる投影マスクが実施の形態１と異なるため、結晶化工程の回数と移動工程の回数とが実施の形態１と異なる。つまり、ブロックがｎ個あるため、ｎ回の結晶化工程と、ｎ−１回の移動工程を実行することにより、所望の結晶を得る。ステージ１８の移動方向、および１回の移動工程で移動する距離は、実施の形態１と同様である。なお、ｉ回目の結晶化工程で、ブロックｉの第ｉスリットパターン１５−ｉを用いて結晶化を行う。また、ｎ回目の結晶化工程で、ブロックｎの第ｎスリットパターン１５−ｎを用いて結晶化を行う。
【０１７８】
図１４は、投影マスク１５ａを用いた場合における、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示した図である。また、図１５は、投影マスク１５ａを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。さらに、図１６は、投影マスク１５ａを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。また、図１７は、投影マスク１５ａを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０１７９】
なお、図１４〜図１７に示した各結晶の状態は、それぞれ、実施の形態１で示した、図４〜図７に示した結晶の状態と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【０１８０】
図１８は、図１７に示した状態の後に、上述した移動工程と結晶化工程とを連続して繰り返すとともに、第ｎ−１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後に、第ｎ回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０１８１】
ここで、第ｉ回目の結晶化工程における、結晶４２の成長過程について説明する。第ｉスリットパターン１５−ｉは、第ｉ−１スリットパターンとの間で上述した位置関係を有するため、第ｉ−１回目の移動工程により、第ｉ照射パターンの片側のエッジが、先の第ｉ−１照射パターンにより結晶化された結晶の突起部と少なくとも重畳する。
【０１８２】
また、第ｎ回目の結晶化工程においては、第ｎスリットパターン１５−ｎは、第ｉ−１スリットパターンとの間で上述した位置関係を有するため、第ｎ−１回目の移動工程により、第ｎ照射パターンの片側のエッジが、先の第ｎ−１照射パターンにより結晶化された結晶の突起部と少なくとも重畳する。
【０１８３】
このような結晶化工程と移動工程とにより、図１８に示したような、結晶４２が得られる。この結晶４２は、図１６に示された第３回目の結晶化工程で形成された高品質な単結晶４２−ａをシード（種結晶）として第４回目の結晶化工程で拡大された結晶４２が、さらに後の結晶化工程で予め定めた方向における１つの向きに逐次拡大されることにより得られた結晶である。
【０１８４】
したがって、実施の形態１に比べてサイズの大きな、粒内欠陥を抑制した高品質な結晶を得ることができる。
【０１８５】
なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１照射パターンに対する第２照射パターンの重畳量が、第１照射パターンの短辺幅の１／４以上であって、かつ１／２以下となるように、第１照射パターンを形成するための第１スリットパターン１５−１が形成される第１領域と、第２照射パターンを形成するための第２スリットパターン１５−２が形成される第２領域が配設されていることが好ましい。
【０１８６】
とろこで、上記においては、第１ブロックＢ１、第２ブロックＢ２、第３ブロックＢ３、第４ブロックＢ４、…、第ｉブロックＢｉ、…、第ｎブロックＢｎが、この順で投影マスク１５ａの長手方向に一列に並んで設けられる形態を例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。第１スリットパターン１５−１、第３スリットパターン１５−３、および第２スリットパターン１５−２が、この順番に形成されるように、第１ブロックＢ１、第３ブロックＢ３、第２ブロックＢ２、第４ブロックＢ４、…、第ｉブロックＢｉ、…、第ｎブロックＢｎが、この順で投影マスク１５ａの長手方向に一列に並んで設けられる形態としてもよい。
【０１８７】
このような構成の投影マスクでも、投影マスク１５ａと同様の効果を得ることができる。
【０１８８】
〔実施の形態３〕
本実施の他の形態にかかるレーザ結晶化装置について、図１９〜図２５に基づいて説明すると、以下のとおりである。
【０１８９】
本発明のレーザ結晶化装置は、投影マスク１５ｂを備える点において投影マスク１５を備える実施の形態１におけるレーザ結晶化装置１と異なる。本実施の形態にかかるレーザ結晶化装置における他の構成については、レーザ結晶化装置１と同じである。なお、以下においては、実施の形態１と同じ部材については、同一の符号を付し、当該部材の説明を省略する。
【０１９０】
図１９は、角型結晶を形成するための投影マスク１５ｂの構成を示した図である。
投影マスク１５ｂには、図１９に示すとおり、３個の第１スリットパターン１５−１と、３個の第２スリットパターン１５−２、３個の第３スリットパターン１５−３、３個の第４スリットパターン１５−４が形成されている。さらに、投影マスク１５ｂには、ｎを５以上の自然数とすると、３個の第５スリットパターン、３個の第６スリットパターン、…、３個の第ｎスリットパターン１５−ｎを備えている。つまり、投影マスク１５ａは、ｎ種類のスリットパターンを備えている。
【０１９１】
このように、投影マスク１５ｂが、ｎ種のスリットパターンを備えている点において、実施の形態２の投影マスク１５ａと同じである。ただし、後述するように、投影マスク１５ｂの第５スリットパターンから第ｎスリットパターンにおける各３個のスリットの配置のさせ方が、投影マスク１５ａにおける第５スリットパターンから第ｎスリットパターンにおける各３個のスリットの配置のさせ方と異なっている。なお、投影マスク１５ｂのその他の構成は、投影マスク１５ａの構成と同じであるため、当該実施の形態での説明は省略する。
【０１９２】
なお、図１９の投影マスクの構成は一例であって、実施の形態２と同様、各スリットパターンの数は３個に限定されるものではない。各スリットパターンが、それぞれ少なくとも１つ以上存在すればよい。
【０１９３】
なお、本実施の形態においても実施の形態２と同様、ｉを５以上ｎ−１以下の任意の自然数とし、第ｉ領域を第ｉブロックＢｉと称する。また、第ｉブロックＢｉを構成する３個のスリットパターンを第ｉスリットパターン１５−ｉと称する。
【０１９４】
ここで、投影マスク１５ｂにおいては、第４スリットパターン１５−４と第５スリットパターン１５−５とは互いに直交している。また、第ｉスリットパターン１５−ｉと第ｉ＋１スリットパターン１５−（ｉ＋１）との関係について説明する。第ｉスリットパターン１５−ｉと第ｉ＋１スリットパターン（ｉ＋１）とは、互いに直交している。つまり、第４スリットパターン１５−４以降のスリットパターンに関しては、互いに隣り合うブロックのスリットパターン同士は互いに直交する関係にある。
【０１９５】
ここで、実施の形態２と同様に、ブロックＢ１側を先頭側と、ブロックＢｎ側を後尾側とする。また、投影マスク１５ｂの長手方向の一辺を先頭側と、当該長手方向の他方の辺を後尾側とする。さらに、３個の第ｉスリットパターン１５−ｉを、先頭側から順に、第ｉスリットパターン１５−ｉａ、第ｉスリットパターン１５−ｉｂ、第ｉスリットパターン１５−ｉｃとする。さらに、３個の第ｎスリットパターン１５−ｎを、先頭側から順に、第ｎスリットパターン１５−ｎａ、第ｎスリットパターン１５−ｎｂ、第ｎスリットパターン１５−ｎｃとする。
【０１９６】
さらに、第ｉスリットパターン１５−ｉａは、第ｉブロックＢｉの先頭側端部からｄｉの場所に設けられているとする。また、第ｎスリットパターン１５−ｎａは、第ｎブロックＢｎの先頭側端部からｄｎの場所に設けられているとする。
【０１９７】
このように定義すると、ｄ（ｉ＋１）とｄ（ｉ−１）との間には、０＜ｄ（ｉ＋１）−ｄ（ｉ−１）＜Ｗｐ／２といった関係が成立している。なお、Ｗｐはスリット幅である。
【０１９８】
なお、第ｉスリットパターン１５−ｉｂ、および第ｉスリットパターン１５−ｉｃについても、第ｉスリットパターン１５−ｉａで示したことと同様のことが言える。
【０１９９】
次に、レーザ結晶化装置によって、ステージ１８に載置される被処理物２０の半導体薄膜２３を結晶化する一連の処理工程について説明する。なお、以下では、実施の形態１と同様に、半導体薄膜２３を結晶化する工程を結晶化工程と、ステージを移動させる工程を移動工程とを実行する。
【０２００】
本実施の形態では、結晶化に用いる投影マスクのブロック数が実施の形態２と同じｎであるため、結晶化工程の回数と移動工程の回数とが実施の形態２と同じになる。つまり、本実施の形態においても実施の形態２と同様に、ｎ回の結晶化工程と、ｎ−１回の移動工程を実行することにより、所望の結晶を得る。ステージ１８の移動方向、および１回の移動工程で移動する距離は、実施の形態１および実施の形態２と同様である。なお、実施の形態２と同様、ｉ回目の結晶化工程で、ブロックｉの第ｉスリットパターン１５−ｉを用いて結晶化を行う。また、実施の形態２と同様、ｎ回目の結晶化工程で、ブロックｎの第ｎスリットパターン１５−ｎを用いて結晶化を行う。
【０２０１】
図２０は、投影マスク１５ｂを用いた場合における、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示した図である。また、図２１は、投影マスク１５ｂを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。さらに、図２２は、投影マスク１５ｂを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。また、図２３は、投影マスク１５ｂを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０２０２】
なお、図２０〜図２３に示した各結晶の状態は、それぞれ、実施の形態１で示した、図４〜図７に示した結晶の状態と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【０２０３】
図２４は、図２３に示した状態の後に、上述した移動工程と結晶化工程とを連続して繰り返すとともに、第ｎ−１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後に、第ｎ回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。
【０２０４】
このような結晶化工程と移動工程とにより、図２４に示したような、結晶４２が得られる。この結晶４２は、図１６に示された第３回目の結晶化工程で形成された高品質な単結晶４２−ａをシード（種結晶）として第４回目の結晶化工程で拡大された結晶４２が、さらに後の結晶化工程で一結晶化工程毎に互いに直交する照射パターンを半導体薄膜２３に照射する関係で、横方向（スリットパターンの配設方向に対し垂直の方向）の結晶成長を実行することができる。このため、本実施の形態では、結晶粒径の拡大を等方的に行うことが可能となる。
【０２０５】
図２５は、本実施の形態にかかるレーザ結晶化装置によって形成された結晶を示した顕微鏡写真である。同図において、点線で囲まれた矩形が種結晶であり、実線で囲まれた矩形が結晶化工程が終了した際に得られた結晶である。同図に示すとおり、上記レーザ結晶化装置を用いることにより、等方的に拡大された高品質な結晶を得ることができる。
【０２０６】
なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１照射パターンに対する第２照射パターンの重畳量が、第１照射パターンの短辺幅の１／４以上であって、かつ１／２以下となるように、第１照射パターンを形成するための第１スリットパターン１５−１が形成される第１領域と、第２照射パターンを形成するための第２スリットパターン１５−２が形成される第２領域が配設されていることが好ましい。
【０２０７】
また、上記においては、第１ブロックＢ１、第２ブロックＢ２、第３ブロックＢ３、第４ブロックＢ４、…、第ｉブロックＢｉ、…、第ｎブロックＢｎが、この順で投影マスク１５ａの長手方向に一列に並んで設けられる形態を例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。第１スリットパターン１５−１、第３スリットパターン１５−３、および第２スリットパターン１５−２が、この順番に形成されるように、第１ブロックＢ１、第３ブロックＢ３、第２ブロックＢ２、第４ブロックＢ４、…、第ｉブロックＢｉ、…、第ｎブロックＢｎが、この順で投影マスク１５ａの長手方向に一列に並んで設けられる形態としてもよい。
【０２０８】
このような構成の投影マスクでも、投影マスク１５ａと同様の効果を得ることができる。
【０２０９】
ところで、上記実施の形態１においては、４個のブロック（Ｂ１〜Ｂ４）を用いて結晶を生成したが、投影マスクの構成を当該生成した結晶を、実施の形態２や実施の形態３と同様にさらに伸張させるべく、実施の形態２や実施の形態３とは異なる他のブロック（Ｂ５〜Ｂｎ）を設ける構成としてもよい。
【０２１０】
ここで、図６の結晶４２−ａの特定位置（例えば、結晶の中心）を原点とするＸ−Ｙ直交座標系を規定する。そして、ｋを１〜４の自然数とし、第ｋ象限におけるＸ軸正方向をｋＸ＋と、Ｘ軸負方向をｋＸ−と、Ｙ軸正方向をｋＹ＋と、Ｙ軸負方向をｋＹ−とする。
【０２１１】
このように定義した場合、上記他のブロックにおける各ブロックのスリットパターンの配置を、第５ブロックＢ５（第５マスク要素）〜第ｎブロックＢｎ（第ｎマスク要素）における各ブロックとレーザ光の照射によって、種結晶領域を、１Ｘ＋、１Ｙ＋、２Ｘ−、２Ｙ＋、３Ｘ−、３Ｙ−、４Ｘ＋、および４Ｙ−の各方向に伸張する配置とするればよい。
【０２１２】
ここで、このようなスリットパターンを備える投影マスクについて説明する。
投影マスクは、第１スリットパターン１５−１に平行なスリットパターンを備えるブロックＢｈと、第１スリットパターン１５−１に垂直なスリットパターンを備えるブロックＢｖとを備えている。なお、ｓとｔとは、自然数であって、ｓ＋ｔ＝ｎ−４の関係を満たしている。
【０２１３】
ここで、第１スリットパターン１５−１に平行なスリットパターンを備えるブロックをブロックＢｈ（ｊ）と、第１スリットパターン１５−１に垂直なスリットパターンをＢｖ（ｊ’）とする。なお、ｊは、１≦ｊ≦ｓを満たす自然数であり、ｊ’は、１≦ｊ’≦ｔを満たす自然数である。
【０２１４】
ブロックＢｈ（ｊ）は、ブロックＢｈ（ｊ）のスリットパターンによる照射パターンが、当該ブロックＢｈ（ｊ）よりも先頭側のブロックのスリットパターンによって形成された、第１照射パターンと平行な照射パターンであって、かつ投影マスクの移動方向の一方の向きまたは他方の向きにおいて最も外側に形成された照射パターンと一部が重畳するように構成されている。
【０２１５】
また、ブロックＢｈ（ｊ’）は、ブロックＢｈ（ｊ’）のスリットパターンによる照射パターンが、当該ブロックＢｈ（ｊ’）よりも先頭側のブロックのスリットパターンによって形成された、第３照射パターンと平行な照射パターンであって、かつ投影マスクの移動方向に垂直な方向の一方の向きまたは他方の向きにおいて最も外側に形成された照射パターンと一部が重畳するように構成されている。
【０２１６】
ここで、上記重畳量ＯＬしては、Ｗｐ／２＜ＯＬ＜Ｗｐであればよい。このような重畳量とすることにより、リッジを消滅させながら、結晶を伸張させることができる。
【０２１７】
以上、上述したレーザ照射装置、レーザ照射方法によれば、形成された単結晶シード領域および単結晶シードの拡大領域において、結晶粒界が含まれていない結晶材料を作製することが可能となる。さらに、単結晶シード領域および単結晶シードの拡大領域が、単一の結晶方位で構成されている結晶材料を作製することが可能である。
【０２１８】
したがって、上記結晶材料を用いることで、特性ばらつきが小さく、かつ高性能な半導体素子を作製することができる。具体的には、スイッチング特性を均一にすることができるとともに、電子移動度が著しく高い半導体素子を作製することができる。
【０２１９】
また、実施の形態１〜３においては、被照射物をアモルファスシリコン薄膜とし、レーザ結晶化装置を構成する光源（レーザ光発振器）として、エキシマレーザ用いる場合について説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、被照射物には非結晶Ｓｉ薄膜以外の非晶質材料や結晶材を用いることも可能であり、用いた結晶材に応じて、適宜に光源を選択すればよい。
【０２２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【０２２１】
【図１】レーザ結晶化装置の概略構成を示した図である。
【図２】被処理物の断面を示した断面図である。
【図３】角型結晶を形成するための投影マスクの構成を示した図である。
【図４】図３に示した投影マスクを用いて形成した結晶の状態であって、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示した図である。
【図５】図３に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図６】図３に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図７】図３に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図８】第１スリットパターンと第３スリットパターンとを用いた場合に形成される種結晶を説明するための図である。
【図９】変形投影マスクを用いた場合における、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示した図である。
【図１０】変形投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージ１８を予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１１】変形投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１２】変形投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１３】角型結晶を形成するための他の投影マスクの構成を示した図である。
【図１４】図１３に示した投影マスクを用いた場合における、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示した図である。
【図１５】図１３に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１６】図１３に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１７】図１３に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１８】図１７に示した状態の後に、移動工程と結晶化工程とを連続して繰り返すとともに、第ｎ−１回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後に、第ｎ回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図１９】角型結晶を形成するための、さらに他の投影マスクの構成を示した図である。
【図２０】図１９に示した投影マスクを用いた場合における、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示した図である。
【図２１】図１９に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第１回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図２２】図１９に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第２回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図２３】図１９に示した投影マスクを用いて形成される結晶の状態であって、第３回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図２４】図２３に示した状態の後に、上述した移動工程と結晶化工程とを連続して繰り返すとともに、第ｎ−１回目の移動工程によってステージを予め定める方向に移動した後に、第ｎ回目の結晶化工程によって形成される結晶の状態を示す図である。
【図２５】レーザ結晶化装置によって形成される結晶を示した顕微鏡写真である。
【図２６】従来技術のレーザ結晶化装置の構成を示す図である。
【図２７】被処理物の構成を示す断面図である。
【図２８】半導体薄膜における結晶の成長過程を模式的に示す図であって、（ａ）は１回目のレーザ光を照射した後の結晶の状態を示した図であり、（ｂ）は２回目のレーザ光を照射する領域を示した図であり、（ｃ）は２回目のレーザ光を照射した後の結晶の状態を示した図であり、（ｄ）は拡大させた結晶を示した図である。
【図２９】特許文献２に開示されている多結晶化用マスクである。
【図３０】第１垂直スリット領域のスリットパターンを介したレーザ光の照射により形成される結晶を示した図である。
【図３１】第２垂直スリット領域のスリットパターンを介したレーザ光を、上記一方のエッジ部に重畳するように照射した際に形成される結晶を示した図である。
【図３２】第３水平スリット領域のスリットパターンを介したレーザ光を、少なくとも第１照射パターンと第２照射パターンとが重畳した領域に照射した際に形成される結晶を示した図である。
【図３３】第４水平スリット領域のスリットパターンを介したレーザ光を、少なくとも第１照射パターンと第２照射パターンと第３照射パターンとが重畳した領域に照射した際に形成される結晶を示した図である。
【符号の説明】
【０２２２】
１  レーザ結晶化装置、１０  レーザ光発振器、１５，１５ａ，１５ｂ  投影マスク、１５−１，１５−２，１５−３，１５−ｉ，１５−ｎ  スリットパターン、１８  ステージ、１９  制御装置、２０  被処理物、２３  半導体薄膜、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂｉ，Ｂｎ  ブロック。
【図１】
2009302251.tif 000003
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図２５】
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