(57)【要約】【課題】結晶化を行なった時点において好適なレーザ照射条件を満たしているかどうかを確認できる結晶成長装置およびレーザ照射モニター方法を提供する。【解決手段】第１レーザ発振器１０１は、メインレーザであって、出射されるレーザ光が半導体薄膜１１４に吸収されて半導体薄膜１１４を溶融させる。第２レーザ発振器１０６は、アシストレーザであって、出射されるレーザ光が絶縁体の基板１１３、下地の絶縁膜、または溶融した半導体薄膜１１４に吸収されて、これらを過熱する。光ビームが照射される半導体薄膜１１４上における光ビームの形状は、一例として概ね矩形状となる。コントローラ１１５は、第１レーザ発振器１０１および第２レーザ発振器１０６だけでなく、ステージ１１２の駆動をも制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物への実照射処理に先立って前記被処理物の状態をモニターするための結晶成長装置であって、
段階的にスリット幅の異なる複数のスリットを含むスリット群が繰り返し配置されたマスクを介して前記被処理物へレーザ光を照射するレーザ光学系と、
前記レーザ光照射ステップによって前記被処理物上に形成された照射痕を計測する評価部とを含む、結晶成長装置。
【請求項２】
前記レーザ光学系は、
前記被処理物にレーザ光を照射して第１の照射領域を形成する第１のレーザと、
前記被処理物にレーザ光を照射して前記第１の照射領域の少なくとも一部と重複する第２の照射領域を形成する第２のレーザとを含む、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記被処理物は、少なくとも２層からなり、前記第１のレーザは、前記被処理物の表面側の第１層に吸収される波長を持ち、前記第２レーザは、前記被処理物の表面側の第２層に吸収される波長を持つ、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記被処理物の表面側の第１層は半導体からなり、前記被処理物の表面側の第２層は酸化物または窒化物からなる、請求項２または３に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
前記被処理物の表面側の第１層はシリコンからなり、前記被処理物の表面側の第２層は酸化シリコンからなる、請求項２〜４のいずれかに記載の結晶成長装置。
【請求項６】
前記第１のレーザは紫外域の波長であって、前記第２のレーザは可視域から赤外域の波長である、請求項２〜５のいずれかに記載の結晶成長装置。
【請求項７】
前記第１のレーザはエキシマレーザであって、前記第２のレーザは９〜１１μｍの波長を有するレーザである、請求項２〜６のいずれかに記載の結晶成長装置。
【請求項８】
前記評価部は、前記マスクの開口部に対応して前記被処理物上に形成されたスリット状の結晶の各々に対して、スリット端部から成長した結晶の衝突の有無を確認して前記被処理物の面内分布を評価する、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項９】
前記面内分布の評価を受けて前記被処理物へ照射されるレーザ光を調整する制御部をさらに含む、請求項８に記載の結晶成長装置。
【請求項１０】
被処理物への実照射処理に先立って前記被処理物の状態をモニターするレーザ照射モニター方法であって、
段階的にスリット幅の異なる複数のスリットを含むスリット群が繰り返し配置されたマスクを介して前記被処理物へレーザ光を照射するステップと、
前記レーザ光照射ステップによって前記被処理物上に形成された照射痕を計測するステップとを含む、レーザ照射モニター方法。
【請求項１１】
前記レーザ光照射ステップは、
第１のレーザによって前記被処理物の第１の照射領域を形成するステップと、
第２のレーザによって前記第１の照射領域の少なくとも一部と重複する第２の照射領域を形成するステップとを含む、請求項１０に記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１２】
前記被処理物は、少なくとも２層からなり、前記第１のレーザは、前記被処理物の表面側の第１層に吸収される波長を持ち、前記第２レーザは、前記被処理物の表面側の第２層に吸収される波長を持つ、請求項１１に記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１３】
前記被処理物の表面側の第１層は半導体からなり、前記被処理物の表面側の第２層は酸化物または窒化物からなる、請求項１１または１２に記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１４】
前記被処理物の表面側の第１層はシリコンからなり、前記被処理物の表面側の第２層は酸化シリコンからなる、請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１５】
前記第１のレーザは紫外域の波長であって、前記第２のレーザは可視域から赤外域の波長である、請求項１１〜１４のいずれかに記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１６】
前記第１のレーザはエキシマレーザであって、前記第２のレーザは９〜１１μｍの波長を有するレーザである、請求項１１〜１５のいずれかに記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１７】
前記照射痕計測ステップは、前記マスクの開口部に対応して前記被処理物上に形成されたスリット状の結晶の各々に対して、スリット端部から成長した結晶の衝突の有無を確認して前記被処理物の面内分布を評価するステップを含む、請求項１０に記載のレーザ照射モニター方法。
【請求項１８】
前記面内分布評価ステップを受けて前記被処理物へ照射されるレーザ光を調整するステップをさらに含む、請求項１７に記載のレーザ照射モニター方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、結晶成長装置およびレーザ照射モニター方法に関し、より特定的には、被処理物への実照射処理に先立って当該被処理物の状態をモニターするための結晶成長装置およびレーザ照射モニター方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜材料上に半導体デバイスを形成した薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）は、アクティブマトリクス液晶表示装置における表示部および画素コントローラ等に用いられている。薄膜材料としては、非晶質材料が主に用いられている。薄膜トランジスタを高速駆動させるために、従来は非晶質の半導体膜が用いられていたチャネル領域を結晶化させている。これにより、結晶という原子配列のそろった部分におけるキャリアの移動度が非晶質部分における移動度より数百倍大きくなるため、薄膜トランジスタの特性が向上する。
【０００３】
多結晶半導体膜は、例えばエキシマレーザから放射されるレーザビームを非晶質半導体薄膜に照射して溶融し、凝固過程において溶融半導体を結晶化させるなどの方法によって形成される。しかしながら、非晶質半導体膜を単に溶融凝固させるだけでは、異なる大きさで異なる結晶方位を有する多数の小さな結晶粒が無秩序に形成されるに過ぎない。
【０００４】
結晶化には種々の方法が提案されている。パルスレーザを用いる方法は、短時間に大きなエネルギーが投入でき低温でのプロセスが可能となることから開発が進められている。その中で、結晶の横方向成長法およびこれを利用した逐次横方向結晶化法（Sequential Lateral Solidification：ＳＬＳ）と呼ばれる方法がある。横方向成長法により形成される結晶を図８，９を用いて説明する。
【０００５】
図８は、スリット幅の狭いマスク７００Ａを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ａの正面図である。
【０００６】
図８を参照して、結晶の横方向成長法では、非晶質の半導体薄膜７０１Ａにマスク７００Ａを覆ってレーザビームをパルス照射し、マスク７００Ａに覆われなかった領域を完全に溶融させる。その後、半導体薄膜７０１Ａの当該領域は冷却されることにより再凝固する。この際、溶融しなかった固体部との境界付近から横方向に結晶長Ｃ１，Ｃ２の特有の結晶化が起こる。
【０００７】
図８に示すように、スリットの幅がある程度狭いマスク７００Ａを用いた場合、結晶長Ｃ１，Ｃ２の横方向結晶がマスクスリットの中央部で衝突し、突起状のラフネス（以下、リッジと称する）ＲＧが形成される。これは、液体状の半導体が凝固する際に体積が増えることが原因である。リッジＲＧでは、凝固することにより増えた体積の分だけ、上方へ突起が形成される。
【０００８】
図９は、スリット幅の広いマスク７００Ｂを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ｂの正面図である。
【０００９】
図９に示すように、スリットの幅がある程度広いマスク７００Ｂを用いた場合、結晶長Ｃ１，Ｃ２の横方向の結晶化が進む途中で、マスクパターンの中央部ＳＰからも冷却が始まる。これにより、中央部ＳＰから微結晶化が起こって横方向の結晶化は阻害されることとなり、リッジＲＧ１，ＲＧ２を形成して結晶化は止まる。
【００１０】
図８，９で説明した横方向結晶は、完全溶融した端部からリッジまでの長さを持つ大きな１つの単結晶である。この横方向を薄膜トランジスタのチャネル方向にとると、キャリアの流れに垂直な粒界は存在しないため良好な特性を得ることができる。
【００１１】
上記した逐次横方向結晶化法（ＳＬＳ法）は、横方向成長法から更に結晶長を伸ばすための方法である。逐次横方向結晶化法を用いることにより、横方向成長法で生成された結晶を種として横方向結晶化を続けることができる（たとえば、特許文献１参照）。逐次横方向結晶化法により形成される結晶を図１０〜１３を用いて説明する。
【００１２】
図１０は、逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第１段階の正面図である。
【００１３】
図１０では、図８で示したような結晶長Ｃ１で横方向に成長した結晶に対して、結晶長Ｃ１よりも短い距離Ｄ１だけ、矩形マスク８００またはレーザに対して被処理物である非晶質半導体膜８０１を移動させてレーザ照射している。これにより、シフトされたレーザ照射部分ＬＳが完全に溶融し、再凝固する。
【００１４】
図１１は、逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第２段階の正面図である。
【００１５】
図１１に示すように、図１０で非晶質半導体膜８０１を距離Ｄ１だけシフトさせてレーザ照射したことにより、１つ前の結晶粒を種として引き継いで、結晶長さＤ１＋Ｃ１の大きな単結晶を得ることができる。結晶長Ｃ１端にはリッジＲＧが形成されている。
【００１６】
図１２は、逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第３段階の正面図である。
【００１７】
図１２では、図１０と同様に、矩形マスク８００またはレーザに対して被処理物である非晶質半導体膜８０１を結晶長Ｃ１よりも短い移動距離Ｄ２だけ移動させてレーザ照射する。これにより、シフトされたレーザ照射部分ＬＳが完全に溶融し、再凝固する。
【００１８】
図１３は、逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第４段階の正面図である。
【００１９】
図１３では、図１２で非晶質半導体膜８０１を距離Ｄ２だけシフトさせてレーザ照射したことにより、図１１と同様に、１つ前の結晶粒を種として引き継いで、結晶長さＤ１＋Ｄ２＋Ｃ１の大きな単結晶を得ることができる。結晶長Ｃ１端にはリッジＲＧが形成されている。
【００２０】
図１０〜１３のように非晶質半導体膜８０１のシフトとレーザ照射とを繰り返すことによって、所望の長さの単結晶を得ることができる。このようなレーザを用いた結晶化技術には、種々の改良を加えることが可能である。
【００２１】
たとえば特許文献２には、エキシマレーザと炭酸ガスレーザとを併用したレーザアニール結晶化技術が開示されている。以下では、特許文献２に記載のレーザアニール結晶化技術について説明する。
【００２２】
図１４は、エキシマレーザと炭酸ガスレーザとを併用したレーザアニール結晶化技術について説明するための模式図である。
【００２３】
図１４に示すように、二酸化シリコンを主成分とするガラス基板９０４上に形成されたシリコン薄膜９０３に、ＸｅＣｌ（塩化キセノン）のエキシマレーザ光９０１を垂直に照射する。このエキシマレーザ光９０１の照射と同時にまたはその前後に、炭酸ガスレーザ光９０２をガラス基板９０４に向けて斜めから照射する。
【００２４】
上記において、たとえば、ガラス基板９０４とシリコン薄膜９０３との間に、ガラス基板９０４よりシリコンの純度が高い二酸化シリコン層等が存在してもよい。また、シリコン薄膜９０３に価電子制御を目的とした不純物が添加されていてもよい。
【００２５】
特許文献２のレーザアニール結晶化技術では、エキシマレーザによる結晶化プロセス中に同時に炭酸ガスレーザ光を照射するので、シリコン薄膜９０３とガラス基板９０４との間の界面またはそれらの間の二酸化シリコン層が高温に加熱される。これにより、シリコン薄膜９０３の再結晶化過程の冷却速度が遅くなり、その結果得られる多結晶シリコンの粒径の増大が可能になる。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
図１５は、スリット幅の広いマスク７００Ｂを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ｂに逐次横方向結晶化法を適用した場合の正面図である。
【００２７】
図９で説明したように、スリット幅の広いマスク７００Ｂを用いて半導体薄膜７０１Ｂを横方向成長法により結晶化させた場合、冷却された中央部ＳＰを挟んで２本のリッジＲＧ１，ＲＧ２が形成される。すなわち、リッジがスプリットする。そのため、図１５に示すように、初期の結晶長Ｃ１よりもレーザ照射部分ＬＳの相対移動距離の方が大きい場合、逐次横方向結晶化法により結晶を引き継ぐことができない。
【００２８】
また、スリット幅の狭いマスク７００Ａを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ａの場合、図８で説明したように、横方向に成長した結晶はスリット中央部で衝突し、リッジＲＧが１本形成される。すなわち、リッジはスプリットしない。この場合、結晶を引き継いでいくことは可能であるが、照射するレーザの強度が大きい場合には、スリット中央部で衝突した結晶により生じるリッジが高くなる。
【００２９】
上記のように、結晶化してリッジが高くなった半導体膜上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成した場合、閾値電圧のばらつきが増加するなど特性の悪化を招く可能性がある。したがって、スリット端部から横方向に成長した結晶がスリット中央部においてちょうど衝突するようなレーザ照射条件を設定することが望ましい。
【００３０】
特許文献１には、均一なスリット幅のマスクを介してレーザ照射を行なう場合が開示されている。この場合、結晶がスリット中央部で衝突する閾値以上の照射強度でレーザを照射すると、１本のリッジが形成されるのみである。そのため、特許文献１の技術では、結晶化を行なった時点において、上述の好適なレーザ照射強度を満たしているかどうかを判断することができない。
【００３１】
上記の問題は、炭酸ガスレーザ光を照射した場合により顕著となる。図１４を参照して、炭酸ガスレーザ光９０２を照射することで、シリコン薄膜９０３の結晶長は増大する。その一方、炭酸ガスレーザ光９０２とエキシマレーザ光９０１との照射位置合わせが不適であると、その影響が結晶長の面内分布として現れることになる。
【００３２】
また、炭酸ガスレーザのパワーやパルス幅によって結晶長は大きく変化するが、この結晶長の変化と上述の好適なレーザ照射条件との関係は必ずしも明確ではない。すなわち、エキシマレーザ光９０１と炭酸ガスレーザ光９０２との同時照射において、両レーザ光の照射位置に応じて結晶長の面内分布が変化したり、両レーザ光の強度の絶対値が不適となることにより、結晶不良が生じる可能性がある。
【００３３】
それゆえに、この発明の目的は、結晶化を行なった時点において好適なレーザ照射条件を満たしているかどうかを確認できる結晶成長装置およびレーザ照射モニター方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
この発明のある局面によれば、被処理物への実照射処理に先立って被処理物の状態をモニターするための結晶成長装置であって、段階的にスリット幅の異なる複数のスリットを含むスリット群が繰り返し配置されたマスクを介して被処理物へレーザ光を照射するレーザ光学系と、レーザ光照射ステップによって被処理物上に形成された照射痕を計測する評価部とを含む。
【００３５】
好ましくは、レーザ光学系は、被処理物にレーザ光を照射して第１の照射領域を形成する第１のレーザと、被処理物にレーザ光を照射して第１の照射領域の少なくとも一部と重複する第２の照射領域を形成する第２のレーザとを含む。
【００３６】
好ましくは、被処理物は、少なくとも２層からなり、第１のレーザは、被処理物の表面側の第１層に吸収される波長を持ち、第２レーザは、被処理物の表面側の第２層に吸収される波長を持つ。
【００３７】
好ましくは、被処理物の表面側の第１層は半導体からなり、被処理物の表面側の第２層は酸化物または窒化物からなる。
【００３８】
好ましくは、被処理物の表面側の第１層はシリコンからなり、被処理物の表面側の第２層は酸化シリコンからなる。
【００３９】
好ましくは、第１のレーザは紫外域の波長であって、第２のレーザは可視域から赤外域の波長である。
【００４０】
好ましくは、第１のレーザはエキシマレーザであって、第２のレーザは９〜１１μｍの波長を有するレーザである。
【００４１】
好ましくは、評価部は、マスクの開口部に対応して被処理物上に形成されたスリット状の結晶の各々に対して、スリット端部から成長した結晶の衝突の有無を確認して被処理物の面内分布を評価する。
【００４２】
好ましくは、面内分布の評価を受けて被処理物へ照射されるレーザ光を調整する制御部をさらに含む。
【００４３】
この発明の他の局面によれば、被処理物への実照射処理に先立って被処理物の状態をモニターするレーザ照射モニター方法であって、段階的にスリット幅の異なる複数のスリットを含むスリット群が繰り返し配置されたマスクを介して被処理物へレーザ光を照射するステップと、レーザ光照射ステップによって被処理物上に形成された照射痕を計測するステップとを含む。
【００４４】
好ましくは、レーザ光照射ステップは、第１のレーザによって被処理物の第１の照射領域を形成するステップと、第２のレーザによって第１の照射領域の少なくとも一部と重複する第２の照射領域を形成するステップとを含む。
【００４５】
好ましくは、被処理物は、少なくとも２層からなり、第１のレーザは、被処理物の表面側の第１層に吸収される波長を持ち、第２レーザは、被処理物の表面側の第２層に吸収される波長を持つ。
【００４６】
好ましくは、被処理物の表面側の第１層は半導体からなり、被処理物の表面側の第２層は酸化物または窒化物からなる。
【００４７】
好ましくは、被処理物の表面側の第１層はシリコンからなり、被処理物の表面側の第２層は酸化シリコンからなる。
【００４８】
好ましくは、第１のレーザは紫外域の波長であって、第２のレーザは可視域から赤外域の波長である。
【００４９】
好ましくは、第１のレーザはエキシマレーザであって、第２のレーザは９〜１１μｍの波長を有するレーザである。
【００５０】
好ましくは、照射痕計測ステップは、マスクの開口部に対応して被処理物上に形成されたスリット状の結晶の各々に対して、スリット端部から成長した結晶の衝突の有無を確認して被処理物の面内分布を評価するステップを含む。
【００５１】
好ましくは、面内分布評価ステップを受けて被処理物へ照射されるレーザ光を調整するステップをさらに含む。
【発明の効果】
【００５２】
この発明によれば、結晶化を行なった時点において好適なレーザ照射条件を満たしているかどうかを確認することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００５４】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による半導体薄膜の結晶成長装置１００の全体構成を示したブロック図である。
【００５５】
図１を参照して、実施の形態１の結晶成長装置１００は、第１レーザ発振器１０１と、可変減衰器１０２，１０７と、フィールドレンズ１０３と、マスク１０４と、投影レンズ１０５と、第２レーザ発振器１０６と、ビーム整形光学系１０８，１０９と、ビーム均一化光学系１１０，１１１と、ステージ１１２と、コントローラ１１５とを備える。ステージ１１２上には、基板１１３が設置されている。基板１１３上には、工程前において、予め被処理物である半導体薄膜１１４が成膜されている。また、結晶成長装置１００は、第１レーザ発振器１０１および第２レーザ発振器１０６によってレーザ照射される半導体薄膜１１４の状態を評価する図示しない評価部を備える。
【００５６】
第１レーザ発振器１０１は、メインレーザであって、出射されるレーザ光が半導体薄膜１１４に吸収されて半導体薄膜１１４を溶融させる。第１レーザ発振器１０１は、基板１１３にダメージを与えないように、固体の半導体薄膜１１４における吸収係数が大きい紫外域から可視域の波長を有することが望ましい。第１レーザ発振器１０１としては、たとえば、エキシマレーザなどが挙げられる。
【００５７】
第１レーザ発振器１０１から発振されたレーザ光は、そのエネルギー量が可変減衰器１０２によって調整される。ビーム整形光学系１０８は、第１レーザ発振器１０１から出射された光ビームを適当な寸法に整形する。ビーム均一化光学系１１０は、第１レーザ発振器１０１から出射された光ビームを均一な強度に設定する。フィールドレンズ１０３は、像側テレセントリック光学系を形成する。投影レンズ１０５は、マスク１０４を通過した光ビームを所定倍率で半導体薄膜１１４に集光する。光ビームが照射される半導体薄膜１１４上における光ビームの形状は、一例として概ね矩形状となる。
【００５８】
第２レーザ発振器１０６は、アシストレーザであって、出射されるレーザ光が絶縁体の基板１１３、下地の絶縁膜、または溶融した半導体薄膜１１４に吸収されて、これらを過熱する。第２レーザ発振器１０６は、可視域から赤外域の波長を有することが望ましい。第２レーザ発振器１０６としては、たとえば、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザなどが挙げられ、パルス照射と連続照射のいずれでもよい。
【００５９】
第２レーザ発振器１０６から発振されたレーザ光は、第１レーザ発振器１０１と同様に、そのエネルギー量が可変減衰器１０７によって調整される。ビーム整形光学系１０９は、第２レーザ発振器１０６から出射された光ビームを適当な寸法に整形する。ビーム均一化光学系１１１は、第２レーザ発振器１０６から出射された光ビームを均一な強度に設定する。光ビームが照射される半導体薄膜１１４上における光ビームの形状は、一例として概ね矩形状となる。ビーム断面を矩形状に整形する方法は特に限定されず、回折光学素子や非球面光学素子を用いることも可能である。
【００６０】
コントローラ１１５は、第１レーザ発振器１０１および第２レーザ発振器１０６だけでなく、ステージ１１２の駆動をも制御する。これにより、効率よく結晶化を進めていくことができる。また、各々のレーザ光路には、適宜ミラーを配置することで、レーザ光を折り返すことができる。それらのミラーの設置箇所および数量に制限はなく、結晶成長装置１００の光学設計や機構設計に応じて適宜配置することが可能である。
【００６１】
実施の形態１においては、第１レーザ発振器１０１からのレーザ光を半導体薄膜１１４に対して垂直に入射させ、第２レーザ発振器１０６からのレーザ光を半導体薄膜１１４に対して斜方から入射させている。この際、第１レーザ発振器１０１の照射領域は、第２レーザ発振器１０６の照射領域に包含されるものであればよい。
【００６２】
図２は、この発明の実施の形態１による半導体薄膜の結晶成長方法の手順を示したフロー図である。
【００６３】
図２の各ステップの説明において、被処理物である半導体薄膜１１４にレーザ光を照射して加工を行なうことを実照射と呼ぶことにする。実施の形態１においては、第１レーザ発振器１０１としてエキシマレーザを用いている。また、第２レーザ発振器１０６として炭酸ガスレーザを用いている。
【００６４】
実施の形態１では、第１レーザ発振器１０１を単独で照射した場合に結晶長ＣＬ（μｍ）がＣＬ≧１．２５となる条件下で、３．０μｍの均一なスリット幅のマスクを用いて、逐次横方向結晶化法（ＳＬＳ法）によるレーザ加工を行なう。ここでは、当該レーザ加工を実照射として行なうに当たり、上記の第１レーザ発振器１０１と、第２レーザ発振器１０６とを併用した照射により、成長する半導体薄膜１１４の結晶長ＣＬ（μｍ）が、３．０／２≦ＣＬ≦３．５／２の範囲となるように、レーザの照射条件を設定した場合について説明する。
【００６５】
具体的には、炭酸ガスレーザ光をマスクスリットの面内全域に照射して、横方向に成長する結晶長ＣＬ（μｍ）は、上記の範囲に相当する１．５≦ＣＬ≦１．７５となるように設定されなければならない。このように結晶長ＣＬを設定するためには、第２レーザ発振器１０６による照射位置、パワーおよびパルス幅を適切に設定する必要がある。
【００６６】
図２を参照して、実施の形態１による半導体薄膜の結晶成長方法は、実照射（レーザ処理）前のモニターステップＳ１０と、実照射（レーザ処理）ステップＳ１６とに大別される。実照射前のモニターステップＳ１０は、第１レーザ照射ステップＳ１１と、第２レーザ照射ステップＳ１２と、レーザ照射状態モニターステップＳ１３と、面内分布評価ステップＳ１４と、レーザ調整ステップＳ１５とを含む。
【００６７】
実照射前のモニターステップＳ１０では、段階的にスリット幅を異ならせた複数のスリットからなるスリット群が繰り返し配置されたモニター用評価マスク（図４参照）を介して、第１レーザ発振器１０１からのレーザ光を照射する。ステップＳ１０に続いて、実照射ステップＳ１６では、実照射用の３μｍの均一スリット幅のマスクを介して、第１レーザ発振器１０１からのレーザ光を照射する。以下、図２に示した実施の形態１の各ステップについて詳述する。
【００６８】
（第１レーザ照射ステップＳ１１および第２レーザ照射ステップＳ１２）
図３は、図１に示す結晶成長装置１００の基板１１３Ａに対するレーザ照射領域を示した模式図である。
【００６９】
図３の基板１１３Ａでは、第１レーザ発振器１０１であるエキシマレーザの照射領域３０１が、第２レーザ発振器１０６である炭酸ガスレーザの照射領域３０２に包含されている。第１レーザ発振器１０１は、上記の照射領域となるように調整されたモニター用の評価マスク１０４を介して、基板１１３Ａにレーザ光を照射する。
【００７０】
第１レーザ照射ステップＳ１１および第２レーザ照射ステップＳ１２においてレーザ光を照射するタイミングは、実照射ステップＳ１６においてレーザ光を照射するタイミングと同様とする。ここで、照射タイミングとは、エキシマレーザ光の照射と同時に、あるいはエキシマレーザ光の照射前または照射後のいずれかの時刻に、炭酸ガスレーザを照射することを意味する。
【００７１】
実施の形態１でのレーザ照射を行なう条件は、エキシマレーザについては、たとえば、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓ、エネルギー密度２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2の条件でレーザ光を照射すればよい。炭酸ガスレーザについては、たとえば、波長１０．６μｍ、パルス幅２０〜２００μｓ、エネルギー密度７５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2の条件でレーザ光を照射すればよい。なお、上記のレーザ照射条件は一例であり、これらの数値に限定されるものではない。
【００７２】
（レーザ照射状態モニターステップＳ１３）
図４は、図１に示す結晶成長装置１００におけるモニター用評価マスク１０４Ａの構成を示した概略図である。
【００７３】
図４を参照して、モニター用評価マスク１０４Ａは、スリット群ＳＬ１，ＳＬ２，・・・，ＳＬｎを含む。スリット群ＳＬｋ（ｋ＝１〜ｎ）は、段階的に異なる４種類のスリット幅４ｋ１〜４ｋ４を有する。スリット幅４ｋ１〜４ｋ４は、具体的には、モニター用評価マスク１０４を通してレーザ光が照射される半導体薄膜１１４上において３．５μｍ、３．０μｍ、２．５μｍ、２．０μｍとなるように一例として設定される。
【００７４】
第１レーザ照射ステップＳ１１および第２レーザ照射ステップＳ１２においてレーザ照射を行なった結果、半導体薄膜１１４は、モニター用評価マスク１０４Ａのパターンに応じて溶融して結晶化する。上述したように、溶融した半導体薄膜１１４は、スリット端部を起点として横方向に成長する。
【００７５】
この際、スリット４ｋ４のように比較的狭いスリット幅の場合、スリットの中央部にて成長してきた結晶は衝突して１本のリッジを形成する。これに対し、スリット４ｋ１のように比較的広いスリット幅の場合、中央部に発生する微結晶によって結晶成長が阻害されることでリッジは２本形成される。すなわち、リッジはスプリットする。
【００７６】
図５は、モニター用評価マスク１０４Ａのスリット幅に応じた半導体薄膜１１４の面内分布を評価するための模式図である。
【００７７】
図５では、モニター用評価マスク１０４Ａを通してあるレーザ照射条件でレーザ光が照射され、スリット状に結晶化した半導体薄膜１１４について、面内分布を評価する。具体的には、スリット群ＳＬ１〜ＳＬｎの各々において、スプリットしていないスリット幅とスプリットしているスリット幅とを調べる。
【００７８】
図５に示すように、スリット群ＳＬ１において、３μｍのスリット幅４１２においてはリッジがスプリットせず、３．５μｍのスリット幅４１１においてはリッジが中央部ＳＰを挟んでスプリットしている。これは、スリット群ＳＬ２についても同様である。つまり、スリット群ＳＬ１，ＳＬ２を介して横方向に成長した結晶の結晶長ＣＬ（μｍ）は、３．０／２≦ＣＬ≦３．５／２となる。
【００７９】
スリット群ＳＬｎにおいては、２．５μｍのスリット幅４ｎ３においてはリッジがスプリットせず、３μｍのスリット幅４ｎ２においてはリッジが中央部ＳＰを挟んでスプリットしている。つまり、スリット群ＳＬｎを通じて横方向に成長した結晶の結晶長ＣＬ（μｍ）は、２．５／２≦ＣＬ≦３．０／２となる。
【００８０】
上記のように、モニター用評価マスク１０４Ａを介したレーザ光の照射の結果得られるスリット状の結晶を評価することによって、半導体薄膜１１４の結晶長の面内分布を把握することができる。このように、スリット群ＳＬ１〜ＳＬｎのスリット幅ごとにスプリットの有無を確認することにより、離散的な値としてではあるものの、結晶長の絶対値として半導体薄膜１１４の面内分布を把握することが可能となる。
【００８１】
（面内分布評価ステップＳ１４）
図６は、基板１１３Ｂ上の第１レーザ発振器１０１および第２レーザ発振器１０６による照射位置を示した模式図である。
【００８２】
図６を参照して、基板１１３Ｂ上には、エキシマレーザである第１レーザ発振器１０１からのレーザ光の照射位置３０１と、炭酸ガスレーザである第２レーザ発振器１０６からのレーザ光の照射位置３０２とが示されている。レーザ光を照射した結果、図５のようにスリット群ＳＬｎでの結晶長が短い場合、エキシマレーザの照射位置３０１と炭酸ガスレーザの照射位置３０２との位置関係は図６のようになる。
【００８３】
図６のような照射位置３０１，３０２の場合、エキシマレーザの照射位置３０１を−ｘ方向に調整するか、炭酸ガスレーザの照射位置３０２を＋ｘ方向に調整することにより、両者を所望の位置関係に調整することができる。
【００８４】
実施の形態１では、エキシマレーザ側の照射位置３０１を移動させるためには、第１レーザ発振器１０１の光学系に含まれているモニター評価用マスク１０４を移動させる必要がある。そのため、照射位置３０１，３０２の調整には、主に第２レーザ発振器１０６の光学系により行なわれる。
【００８５】
レーザ照射状態モニターステップＳ１３において半導体薄膜１１４の面内分布のモニター結果から第２レーザ発振器１０６の光学系を適切に調整することにより、半導体薄膜１１４上における第１レーザ発振器１０１と第２レーザ発振器１０６との照射位置合わせを簡便に行なうことが可能となる。
【００８６】
なお、実施の形態１では、基板１１３上の表面側の第１層に半導体膜を積層し、表面側の第２層に下地絶縁膜を積層させて形成した半導体薄膜１１４にレーザ光を照射する。基板１１３は絶縁性を有することが好ましい。基板１１３には、ガラス基板や石英基板を用いることができるが、安価であることおよび大面積基板を容易に入手し得る観点から、ガラス基板を用いることが好ましい。
【００８７】
第１層である半導体膜は、膜厚が１０〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）、蒸着、スパッタリングなどで材料を堆積することによって形成される。当該半導体膜の材料としては、半導体特性を示すものであれば特に限定されない。しかしながら、後の工程で結晶化された際に結晶成長距離を長くでき、種々の特性が顕著に向上することから、非晶質シリコン膜とすることが好ましい。
【００８８】
第２層である下地絶縁膜には、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜などを用いることができる。下地絶縁膜の膜厚は、５０〜５００ｎｍにすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。当該下地絶縁膜を形成することにより、主としてレーザによる溶融および再結晶化の際に、溶融した半導体膜の熱影響が基板に及ばないようにすることが可能となる。また、当該下地絶縁膜を形成することにより、基板から半導体膜への不純物拡散を防止するバッファ層の働きを持たせることが可能となる。この下地絶縁膜は、プラズマエンハンスド化学気相堆積方、蒸着、スパッタリングなどで原料化合物を堆積することによって形成することができる。
【００８９】
以上のように、実施の形態１のレーザ照射モニター方法は、複数のレーザ光を被処理物に照射してレーザ処理を行なうに先立って、複数のレーザの照射状態をモニターする方法を提供する。
【００９０】
具体的には、複数のレーザ光を被処理物に照射してレーザ処理を行なうに先立って、段階的にスリット幅を異ならせた複数のスリットからなるスリット群が繰り返し配置されたモニター用評価マスクを通して非晶質半導体膜にレーザを照射する。これにより、非晶質半導体膜の結晶化を行ない、各マスクスリットに対応して形成されたスリット状の結晶を評価する。評価方法は、以下のとおりである。
【００９１】
上述のように、マスクスリットを介してレーザ光を非晶質半導体膜に照射して溶融させて横方向に成長させた場合を考える。比較的狭いスリット幅のマスクを介してレーザ光が照射された場合には、端部（固液界面）から横方向に成長した結晶は、スリットの中央部まで成長し、衝突してリッジを形成する。
【００９２】
上記に対して、比較的広いスリット幅のマスクを介してレーザ光が照射された場合には、端部から横方向へ結晶成長していく間に、スリット中央部の溶融領域においても冷却が進行して微結晶化が起こる。そのため、スリットの中央部で結晶が衝突することはなく、結晶化が阻害される。この場合、スリットの両端から横方向に成長してきた結晶は、各々が２本のリッジを形成してスプリットする。
【００９３】
上記のように、モニター用評価マスクを介して第１または第２レーザ発振器からレーザ光を照射して非晶質半導体膜を結晶化することにより、非晶質半導体膜の面内分布を離散的な結晶長の絶対値として把握することが可能となる。この面内分布からレーザの照射状態のモニターが可能になるとともに、被処理物に照射している複数レーザ光の照射位置関係の把握および調整が可能となる。
【００９４】
［実施の形態２］
実施の形態２では、目標としている結晶長を得るためのレーザ照射条件を決定する方法について説明する。なお、半導体薄膜の結晶成長装置１００の全体構成は、実施の形態の図１で説明したとおりである。
【００９５】
また、実照射前のモニターステップＳ１０についても、実施の形態１と同様に図２で示したフロー図に従う。この際、モニター用評価マスクのスリット幅は、目標とするスリット幅を含むように適切に設定するのが好ましい。当該スリット幅は、エキシマレーザおよび炭酸ガスレーザの照射位置を調整可能であれば任意の大きさでよい。
【００９６】
以下では、第２レーザ発振器１０６である炭酸ガスレーザの照射位置調整を行ない半導体薄膜１１４の面内分布を均一にした後の調整ステップについて説明する。
【００９７】
図７は、この発明の実施の形態２のモニター用評価マスク１０４ａ〜１０４ｃを用いたレーザ照射条件の決定について説明するための模式図である。
【００９８】
図７の（ａ）を参照して、モニター用評価マスク１０４ａは、スリット群ＳＬ１ａ，ＳＬ２ａ，・・・，ＳＬｎａを含む。スリット群ＳＬｋａ（ｋ＝１〜ｎ）は、段階的に異なる４種類のスリット幅６ｋ１ａ〜６ｋ３ａを有する。図７（ａ）は、照射したレーザ光の強度が弱すぎる場合を示し、目標とするスリット幅６ｋ２ａにおいて、中央部ＳＰのリッジがスプリットする。
【００９９】
図７の（ｂ）を参照して、モニター用評価マスク１０４ｂは、スリット群ＳＬ１ｂ，ＳＬ２ｂ，・・・，ＳＬｎｂを含む。スリット群ＳＬｋｂ（ｋ＝１〜ｎ）は、段階的に異なる４種類のスリット幅６ｋ１ｂ〜６ｋ３ｂを有する。図７（ｂ）は、照射したレーザ光の強度が好適な場合を示し、目標とするスリット幅６ｋ２ｂより広いスリット幅６ｋ１ｂにおいて、中央部ＳＰのリッジがスプリットする。
【０１００】
図７の（ｃ）を参照して、モニター用評価マスク１０４ｃは、スリット群ＳＬ１ｃ，ＳＬ２ｃ，・・・，ＳＬｎｃを含む。スリット群ＳＬｋｃ（ｋ＝１〜ｎ）は、段階的に異なる４種類のスリット幅６ｋ１ｃ〜６ｋ３ｃを有する。図７（ｃ）は、照射したレーザ光の強度が強すぎる場合を示し、目標とするスリット幅６ｋ２ｃおよびそれより広いスリット幅６ｋ１ｃの双方で、中央部ＳＰのリッジがスプリットしない。
【０１０１】
上記のように、レーザ照射条件は、図７（ｂ）に示すように、スリット端部から横方向に成長した結晶が、目標とするスリット幅のスリット中央部においてちょうど衝突するような条件に設定することが好適である。
【０１０２】
レーザ光を照射した結果が図７（ａ）に示すようであった場合、レーザ照射条件を強くする必要がある。レーザ光を照射した結果が図７（ｃ）に示すようであった場合、レーザ照射条件を弱くする必要がある。これらの場合には、図６（ｂ）に示すようなスリット状結晶が得られるように炭酸ガスレーザのパワーおよびパルス幅を設定すればよい。
【０１０３】
以上のように、実施の形態２によれば、得られたスリット状結晶に対してスプリットの有無を確認することにより、そのレーザ照射条件が適切であるかどうかを簡便に確認することができる。これにより、照射するレーザ光のパワーおよびパルス幅を適切に設定することが可能となる。
【０１０４】
実施の形態２のレーザ照射モニター方法は、複数のレーザの照射状態をモニターした結果から、照射する複数レーザ光の位置を調整し、所望の結晶長を得るためのレーザ照射条件の設定および結晶長の面内分布の確認を行なう。
【０１０５】
上記のモニターは、各スリット状の結晶に対してスプリットの有無を確認することにより行なう。スリット幅として段階的に異なる離散的な値を選択しておくことにより、離散的な把握とはなるものの、レーザ照射領域内における結晶長を把握できる。
【０１０６】
また、所望の結晶長に対応するマスクスリット幅を選択してレーザ照射および結晶化を行ない、目標とする結晶長に対応するスリット状結晶のスプリットの有無を評価することにより、照射する第２レーザ発振器のパワーおよびパルス幅の照射条件を適正に設定することが可能となる。
【０１０７】
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、上記した実施の形態の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】
【０１０８】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体薄膜の結晶成長装置１００の全体構成を示したブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による半導体薄膜の結晶成長方法の手順を示したフロー図である。
【図３】図１に示す結晶成長装置１００の基板１１３Ａに対するレーザ照射領域を示した模式図である。
【図４】図１に示す結晶成長装置１００におけるモニター用評価マスク１０４Ａの構成を示した概略図である。
【図５】モニター用評価マスク１０４Ａのスリット幅に応じた半導体薄膜１１４の面内分布を評価するための模式図である。
【図６】基板１１３Ｂ上の第１レーザ発振器１０１および第２レーザ発振器１０６による照射位置を示した模式図である。
【図７】この発明の実施の形態２のモニター用評価マスク１０４ａ〜１０４ｃを用いたレーザ照射条件の決定について説明するための模式図である。
【図８】スリット幅の狭いマスク７００Ａを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ａの正面図である。
【図９】スリット幅の広いマスク７００Ｂを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ｂの正面図である。
【図１０】逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第１段階の正面図である。
【図１１】逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第２段階の正面図である。
【図１２】逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第３段階の正面図である。
【図１３】逐次横方向結晶化法を用いて結晶化させた非晶質半導体膜８０１の第４段階の正面図である。
【図１４】エキシマレーザと炭酸ガスレーザとを併用したレーザアニール結晶化技術について説明するための模式図である。
【図１５】スリット幅の広いマスク７００Ｂを用いて横方向成長法により結晶化させた半導体薄膜７０１Ｂに逐次横方向結晶化法を適用した場合の正面図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１００  結晶成長装置、１０１  第１レーザ発振器、１０２，１０７  可変減衰器、１０３  フィールドレンズ、１０４  マスク、１０４Ａ，１０４ａ〜１０４ｃ  モニター用評価マスク、１０５  投影レンズ、１０６  第２レーザ発振器、１０８，１０９  ビーム整形光学系、１１０，１１１  ビーム均一化光学系、１１２  ステージ、１１３，１１３Ａ，１１３Ｂ  基板、１１４，７０１Ａ，７０１Ｂ  半導体薄膜、１１５  コントローラ、７００Ａ，７００Ｂ  マスク、８００  矩形マスク、８０１  非晶質半導体膜、９０１  エキシマレーザ光、９０２  炭酸ガスレーザ光、９０３  シリコン薄膜、９０４  ガラス基板。
【図１】
2009032942.tif 000003
【図２】
2009032942.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】
2009032942.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2009032942.tif 000013
【図１２】
2009032942.tif 000014
【図１３】
2009032942.tif 000015
【図１４】
2009032942.tif 000016
【図１５】
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