(57)【要約】【課題】くびれ等のない均一な巨大結晶を作製するための、レーザ照射装置、レーザ照射方法を提供する。【解決手段】レーザ照射装置１０は、第１〜第ｎの照射領域が第１の方向（Ｙ１）に順次重なってなる最終照射領域を複数組形成するとともに、一つの最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の最終照射領域における第ｍ照射領域（ｍは、２≦ｍ≦ｎを満たす整数）に対して、第１の方向とは逆の第２の方向側（Ｙ２）において部分的に重なるように、制御手段８が構成されるとともに第１マスク群１の各マスクにおける開口部が配置されている。【選択図】図１
2009032903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザ光を出力する第１レーザ出力手段と、
長尺状の開口部と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎマスクが、第１マスク、第２マスク、…、第ｎマスク（ｎは２以上の整数）の順に設けられた第１マスク群と、
前記第１マスク群の前記第１〜第ｎマスクにおける前記開口部を通過した前記第１レーザ光を、被照射物上に結像する結像光学系と、
前記被照射物を、前記第1マスク群に対して相対的に移動させる移動手段と、
前記第１マスク群の第ｋマスク（ｋは、１≦ｋ≦ｎ−１を満たす整数）を介した前記第１レーザ光の照射により、前記被照射物上に第ｋ照射領域を形成し、その後、前記移動手段により前記被照射物を相対的に移動させ、前記第１マスク群の第ｋ＋１マスクを介した前記第１レーザ光の照射により、前記第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を前記被照射物上に形成するように、前記第１レーザ光の照射タイミングおよび前記移動手段による移動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段による、前記第１レーザ光の照射タイミングと前記移動手段の移動との制御動作によって、
前記開口部の短辺方向における第１の方向に前記第１〜第ｎ照射領域が順次重なってなる、最終照射領域が複数組形成され、かつ、
一つの前記最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の前記最終照射領域における第ｍ照射領域（ｍは、２≦ｍ≦ｎを満たす整数）に対して、前記開口部の短辺方向における前記第１の方向とは逆の第２の方向側において部分的に重なるように、前記第１マスク群の前記第１〜第ｎマスクの各々における前記開口部が配置されている、レーザ照射装置。
【請求項２】
第１レーザ光を出力する第１レーザ出力手段と、
長尺状の開口部と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎマスクが、第１マスク、第２マスク、…、第ｎマスク（ｎは２以上の整数）の順に設けられた第１マスク群と、
前記第１マスク群の前記第１〜第ｎマスクにおける前記開口部を通過した前記第１レーザ光を、被照射物上に結像する結像光学系と、
前記被照射物を、前記第１マスク群に対して相対的に移動させる移動手段と、
前記第１マスク群の第ｋマスク（ｋは、１≦ｋ≦ｎ−１を満たす整数）を介した前記第１レーザ光の照射により、前記被照射物上に第ｋ照射領域を形成し、その後、前記移動手段により前記被照射物を相対的に移動させ、前記第１マスク群の第ｋ＋１マスクを介した前記第１レーザ光の照射により、前記第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を前記被照射物上に形成するように、前記第１レーザ光の照射タイミングおよび前記移動手段による移動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段による、前記第１レーザ光の照射タイミングと前記移動手段の移動との制御動作によって、
第ｊ照射領域（ｊは、２≦ｊ≦ｎ−１を満たす整数）を境として、前記開口部の短辺方向における第２の方向に第１〜第ｊ照射領域が順次重なり、かつ、該第２の方向とは逆の第１の方向に第ｊ〜第ｎ照射領域が順次重なってなる最終照射領域が形成されるように、前記第１マスク群の前記第１〜第ｎマスクの各々における前記開口部が配置されている、レーザ照射装置。
【請求項３】
前記制御手段による、前記第１レーザ光の照射タイミングと前記移動手段の移動との制御動作によって、
前記最終照射領域が複数組形成され、かつ、
前記一つの最終照射領域における前記第ｎ照射領域が、隣接する他の前記最終照射領域における第ｊ照射領域に対して、前記第２の方向側において部分的に重なるように、前記第１マスク群の各マスクにおける前記開口部が配置されている、請求項２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記第１マスク群の各マスクにおけるスリットパターンに対して直角方向のスリットパターンを有する第２マスク群を更に備え、前記第１マスク群と前記第２マスク群との複合マスク群を用いて、前記第１レーザ光を前記被照射物上に照射可能に構成した、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記複合マスク群において、
前記第１マスク群の各マスクと、前記第２マスク群の各マスクとが交互に配置されている、請求項４に記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
第２レーザ光を出力する第２レーザ出力手段を更に備え、
前記第１マスク群、または、前記第１マスク群と前記第２マスク群との複合マスク群における各マスクを介した前記第１レーザ光の照射と同時に、前記被照射物上に前記第２レーザ光を照射可能に構成した、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
第１レーザ光の照射により、被照射物上に第ｋ照射領域（１≦ｋ≦ｎ−１）を形成するステップと、前記第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を前記被照射物上に形成するステップとによって、
第１の方向に第１〜第ｎ照射領域が順次重なってなる最終照射領域を複数組形成するとともに、
一つの前記最終照射領域における前記第ｎ照射領域が、隣接する他の前記最終照射領域における第ｍ照射領域（２≦ｍ≦ｎ）に対して、前記第１の方向とは逆の第２の方向側において部分的に重なるようにした、レーザ照射方法。
【請求項８】
第１レーザ光の照射により、被照射物上に第ｋ照射領域（１≦ｋ≦ｎ−１）を形成するステップと、前記第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を前記被照射物上に形成するステップとによって、
第ｊ照射領域（２≦ｊ≦ｎ−１）を境として、
第２の方向に第１〜第ｊ照射領域が順次重なり、かつ、前記第２の方向とは逆の第１の方向に第ｊ〜第ｎ照射領域が順次重なってなる、最終照射領域が形成されるようにした、レーザ照射方法。
【請求項９】
前記最終照射領域が複数組形成され、かつ、
一つの前記最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の最終照射領域における第ｊ照射領域に対して、前記第２の方向側において部分的に重なるようにした、請求項８に記載のレーザ照射方法。
【請求項１０】
第１レーザ光の照射により被照射物を溶融し再結晶化する工程を、照射位置をずらしながら２回以上繰返し、順次の引継ぎ成長が２回以上進んだ段階の結晶を作製する種結晶作製ステップと、
前記種結晶作製ステップによる、前記引継ぎ成長が２回以上進んだ段階の結晶を種結晶として、前記種結晶を、所定方向における一方側およびその逆の他方側の両方向に結晶成長させるように、前記被照射物に第１レーザ光の照射を行なう両方向成長ステップとを含む、レーザ照射方法。
【請求項１１】
第１レーザ光の照射により被照射物を溶融し再結晶化する工程を、照射位置をずらしながら順次繰返し、所定方向における一方側に順次引継ぎ成長する結晶を作製する引継ぎ結晶作製ステップと、
前記一方側への引継ぎ成長が２回以上進んだ段階の結晶を、前記一方側とは逆の他方側に結晶成長させるように、前記被照射物に第１レーザ光の照射を行なう逆方向成長ステップとを含む、レーザ照射方法。
【請求項１２】
前記引継ぎ結晶作製ステップの一部が、前記逆方向成長ステップを兼ねている、請求項１１に記載のレーザ照射方法。
【請求項１３】
被照射物として非結晶材料を用い、
請求項７に記載のレーザ照射方法によって、第１〜第ｎ照射領域に対応する位置で、順次、前記非結晶材料が結晶化されてなる結晶材料であって、
前記結晶材料は、前記第ｍ照射領域（２≦ｍ≦ｎ）で形成された結晶を種結晶として、前記第１の方向と第２の方向との双方向に結晶成長された、結晶材料。
【請求項１４】
被照射物として非結晶材料を用い、
請求項８に記載のレーザ照射方法によって、第１〜第ｎ照射領域に対応する位置で、順次、前記非結晶材料が結晶化されてなる結晶材料であって、
前記第ｊ照射領域（２≦ｊ≦ｎ−１）で形成された結晶を種結晶として、前記第１の方向に結晶成長された、結晶材料。
【請求項１５】
被照射物として非結晶材料を用い、
請求項９に記載のレーザ照射方法によって、第１〜第ｎ照射領域に対応する位置で、順次、前記非結晶材料が結晶化されてなる結晶材料であって、
前記第ｊ照射領域（２≦ｊ≦ｎ−１）で形成された結晶を種結晶として、前記第１の方向と第２の方向との双方向に結晶成長された、結晶材料。
【請求項１６】
被照射物として非結晶材料を用い、
請求項１０〜１２のいずれかに記載のレーザ照射方法によって作製される結晶材料であって、
くびれ部のない結晶粒の集合からなる多結晶材料である、結晶材料。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれかに記載の結晶材料を用いて作製された機能素子。
【請求項１８】
くびれ部のない結晶粒の集合からなる多結晶材料を用いて作製される機能素子。
【請求項１９】
前記結晶粒が略平行に整列している、請求項１８に記載の機能素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板等の上に均一な巨大結晶を作製するための、レーザ照射装置、レーザ照射方法、並びに、そのレーザ照射方法を用いて作製される結晶材料および機能素子に関するものである。
【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おり、また、このＳＯＧ技術の根幹となる多結晶Ｓｉ薄膜の作製方法については、ＳＬＳ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）方式が有望視されている。ＳＬＳ方式とは、非結晶Ｓｉ薄膜に、マスクのスリットを介してレーザ光を照射し横方向の結晶成長を起こさせ、さらに、この横方向成長した結晶を、順次、引継ぎながら巨大結晶を作製する方式で、その一様式が特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１６は、特許文献１に記載されている形態のマスク群１０１を示しており、横長の長尺状スリット（開口部）と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎのマスク（マスク長さ：Ｌ）が、第１マスク１０１−１、第２マスク１０１−２、…、第ｎマスク１０１−ｎ（図１６の例では、ｎ＝７）の順に設けられている。この第１〜第ｎマスクの各々を介したレーザ光の照射によって、被照射物８０上に、夫々、第１〜第ｎの照射領域が形成される。
【０００４】
また、このマスク群１０１では、第１〜第ｎの各マスクのスリットが、１０１−１ａ、１０１−２ａ、…、１０１−７ａのように階段状に配置され（スリットグループ１０１ａ）、さらに、このような階段状のスリットグループが、１０１ａ、１０１ｂ、…といった具合に、上下方向に複数組整列されている。隣接するスリットグループ１０１ａ、１０１ｂについては、マスク群１０１の横方向（Ｘ方向）相対移動によって、スリットグループ１０１ｂの中の最上部のスリット１０１−７ｂによるレーザ照射領域が、その上部に位置するスリットグループ１０１ａの中の最下部のスリット１０１−１ａにより形成されていた照射領域とＯＬ１０１だけ重複するように配置されている。
【０００５】
図１７（ａ）は、上記のマスク群１０１により、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０上に形成されるレーザ照射パターンを示しており、このレーザ照射によって、図１７（ｂ）に示すように、スリットが投影される各位置において、スリットの端部（スリットの上下端）に対応する部分からスリットの中央部に対応する部分に向けて結晶成長が起こる（第１ショット結晶化）。例えば、第１マスク１０１−１のスリット１０１−１ａに対応する第１照射領域１０２−１ａにおいては、結晶１０３−１ａが形成される。なお、図中の結晶１０３−１ａ内の縦線は、結晶成長方向に沿ってできる結晶粒界を模式的に示したものであり、スリットの両端部に対応する位置から各々中央に向けて成長した結晶同士は、スリットの中央に対応する位置で衝突し、リッジ（突起部）１０４−１ａが形成される。
【０００６】
続いて、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０に対して、マスク群１０１をＸ方向にマスク長さＬだけ相対的に移動させてレーザ照射を行うと（第２ショット）、図１７（ｃ）のＡラインに着目して分かるように、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）で形成された結晶１０３−１ａ（リッジ１０４−１ａ）と重複して、第２マスク１０１−２のスリット１０１−２ａによるレーザ照射が行われる（第２照射領域１０２−２ａが形成される）。その結果、結晶１０３−１ａのリッジ１０４−１ａを消去しながら、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを種結晶とするＹ１方向の結晶成長（引継ぎ成長）が起こり、結晶１０３−２ａが形成される。
【０００７】
以後、第７ショットまで同様の動作を繰り返すことにより（図１７（ｄ）〜図１７（ｈ））、図１７のＡライン上において、スリットグループ１０１ａ（スリット１０１−１ａ、１０１−２ａ…、１０１−７ａ）による第１〜第７レーザ照射領域１０２−１ａ、１０２−２ａ…、１０２−７ａがＹ１方向に順次重なり、その結果、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを種結晶としてＹ１方向に順次引継ぎ成長した最終結晶１０３ａが作製される。
【０００８】
ここで、第７ショットにおいては、図１８（図１７（ｈ）の拡大図）を参照して分かるように、第１ショットで形成された結晶１０３−１ａ（第１照射領域１０２−１ａ）と重複して、下方のスリットグループ１０１ｂのスリット１０１−７ｂによるレーザ照射（第７照射領域１０２−７ｂ）も行われており、そのことにより、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを種結晶として、Ｙ１方向とは逆のＹ２方向の結晶成長も起こっている。
【０００９】
したがって、Ａライン上の最終結晶１０３ａは、
（１）スリットグループ１０１ａによる、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを種結晶とするＹ１方向の順次引継ぎ成長（第１〜第７ショット）と、
（２）第１ショット（スリットグループ１０１ａによる第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを種結晶とする、スリットグループ１０１ｂ（第７照射領域１０２−７ｂ）による、Ｙ１方向とは逆のＹ２方向の結晶成長とによって形成されたものとなる。つまりは、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）としてＹ１およびＹ２の両方向に成長した結晶となる。なお、この最終結晶１０３ａは、第７ショット時に隣接するスリットグループ（１０１ａ、１０１ｂ）で形成される各々の結晶（１０３−７ａ、１０３−７ｂ）のリッジによって挟まれる領域（１０４−７ａ〜１０４−７ｂの間の領域）が一単位となる。
【特許文献１】特開２００３−５１４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術による最終結晶１０３ａは、第１ショット（第１照射領域１０２−１ａ）の結晶１０３−１ａを「両方向成長の起点種結晶」としてＹ１およびＹ２の両方向に成長させたものであるが、ここに用いる種結晶１０３−１ａ（図１７（ｂ）参照）は、結晶核をもたない非結晶Ｓｉ薄膜を溶融し再結晶化したものであるから、図１９に示す如くに、結晶幅（Ｙ１およびＹ２方向に対する直角方向の幅）が狭く不均質で、特に、スリット端部に対応する成長初期点においては、この不均質性がより顕著なものとなっていた。
【００１１】
したがって、このような幅狭で不均質な結晶１０３−１ａを「両方向成長の起点種結晶」としてＹ１およびＹ２方向に成長させた最終結晶１０３ａも不均質なものとなり、図２０に示すように、成長起点にくびれ部をもつ砂時計のような形状の結晶の集合体（多結晶）となっていた。
【００１２】
本発明は、成長起点にくびれ部のない、均質で幅広の巨大結晶を作製するための、レーザ照射装置、レーザ照射方法、並びに、そのレーザ照射方法を用いて作製される、結晶材料、機能素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明のレーザ照射装置は、一つの局面においては、第１レーザ光を出力する第１レーザ出力手段と、長尺状の開口部と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎマスクが、第１マスク、第２マスク、…、第ｎマスク（ｎは２以上の整数）の順に設けられた第１マスク群と、第１マスク群の第１〜第ｎマスクにおける開口部を通過した第１レーザ光を、被照射物上に結像する結像光学系と、被照射物を、第１マスク群に対して相対的に移動させる移動手段と、第１マスク群の第ｋマスク（ｋは、１≦ｋ≦ｎ−１を満たす整数）を介した第１レーザ光の照射により、被照射物上に第ｋ照射領域を形成し、その後、移動手段により被照射物を相対的に移動させ、第１マスク群の第ｋ＋１マスクを介した第１レーザ光の照射により、第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を被照射物上に形成するように、第１レーザ光の照射タイミングおよび移動手段による移動を制御する制御手段とを備える。この装置では、制御手段による第１レーザ光の照射タイミングと、移動手段の移動との制御動作によって、開口部の短辺方向における第１の方向に第１〜第ｎ照射領域が順次重なってなる、最終照射領域が複数組形成され、かつ、一つの最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の最終照射領域における第ｍ照射領域（ｍは、２≦ｍ≦ｎを満たす整数）に対して、開口部の短辺方向における第１の方向とは逆の第２の方向側において部分的に重なるように、第１マスク群の第１〜第ｎマスクの各々における開口部が配置されている。
【００１４】
また、上記課題を解決するための本発明のレーザ照射装置は、他の局面においては、第１レーザ光を出力する第１レーザ出力手段と、長尺状の開口部と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎマスクが、第１マスク、第２マスク、…、第ｎマスク（ｎは２以上の整数）の順に設けられた第１マスク群と、第１マスク群の第１〜第ｎマスクにおける開口部を通過した第１レーザ光を、被照射物上に結像する結像光学系と、被照射物を、第１マスク群に対して相対的に移動させる移動手段と、第１マスク群の第ｋマスク（ｋは、１≦ｋ≦ｎ−１を満たす整数）を介した第１レーザ光の照射により、被照射物上に第ｋ照射領域を形成し、その後、移動手段により被照射物を相対的に移動させ、第１マスク群の第ｋ＋１マスクを介した第１レーザ光の照射により、第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を被照射物上に形成するように、第１レーザ光の照射タイミングおよび移動手段による移動を制御する制御手段とを備える。この装置においては、制御手段による第１レーザ光の照射タイミングと移動手段の移動との制御動作によって、第ｊ照射領域（ｊは、２≦ｊ≦ｎ−１を満たす整数）を境として、開口部の短辺方向における第２の方向に第１〜第ｊ照射領域が順次重なり、かつ、該第２の方向とは逆の第１の方向に第ｊ〜第ｎ照射領域が順次重なってなる最終照射領域が形成されるように、第１マスク群の第１〜第ｎマスクの各々における開口部が配置されている。
【００１５】
また、制御手段による、第１レーザ光の照射タイミングと移動手段の移動との制御動作によって、最終照射領域が複数組形成され、かつ、一つの最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の最終照射領域における第ｊ照射領域に対して、第２の方向側において部分的に重なるように、第１マスク群の各マスクにおける開口部が配置されていることが望ましい。
【００１６】
また、第１マスク群の各マスクにおけるスリットパターンに対して直角方向のスリットパターンを有する第２マスク群を更に備え、第１マスク群と第２マスク群との複合マスク群を用いて、第１レーザ光を被照射物上に照射可能に構成した構成でもよい。また、複合マスク群において、第１マスク群の各マスクと、第２マスク群の各マスクとが交互に配置されてもよい。また、第２レーザ光を出力する第２レーザ出力手段を更に備え、第１マスク群、または、第１マスク群と第２マスク群との複合マスク群における各マスクを介した第１レーザ光の照射と同時に、被照射物上に第２レーザ光を照射可能に構成してもよい。
【００１７】
上記課題を解決するための本発明のレーザ照射方法は、第１の局面においては、第１レーザ光の照射により、被照射物上に第ｋ照射領域（１≦ｋ≦ｎ−１）を形成するステップと、第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を被照射物上に形成するステップとによって、第１の方向に第１〜第ｎ照射領域が順次重なってなる最終照射領域を複数組形成するとともに、一つの最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の最終照射領域における第ｍ照射領域（２≦ｍ≦ｎ）に対して、第１の方向とは逆の第２の方向側において部分的に重なるようにしている。
【００１８】
また、上記課題を解決するための本発明のレーザ照射方法は、第２の局面においては、第１レーザ光の照射により、被照射物上に第ｋ照射領域（１≦ｋ≦ｎ−１）を形成するステップと、第ｋ照射領域と部分的に重なる第ｋ＋１照射領域を被照射物上に形成するステップとによって、第ｊ照射領域（２≦ｊ≦ｎ−１）を境として、第２の方向に第１〜第ｊ照射領域が順次重なり、かつ、第２の方向とは逆の第１の方向に第ｊ〜第ｎ照射領域が順次重なってなる、最終照射領域が形成されるようにしている。
【００１９】
このレーザ照射方法においては、最終照射領域が複数組形成され、かつ、一つの最終照射領域における第ｎ照射領域が、隣接する他の最終照射領域における第ｊ照射領域に対して、第２の方向側において部分的に重なるようにしてもよい。
【００２０】
本発明のレーザ照射方法は、第３の局面においては、第１レーザ光の照射により被照射物を溶融し再結晶化する工程を、照射位置をずらしながら２回以上繰返し、順次の引継ぎ成長が２回以上進んだ段階の結晶を作製する種結晶作製ステップと、種結晶作製ステップによる、引継ぎ成長が２回以上進んだ段階の結晶を種結晶として、種結晶を、所定方向における一方側およびその逆の他方側の両方向に結晶成長させるように、被照射物に第１レーザ光の照射を行なう両方向成長ステップとを含む。
【００２１】
本発明のレーザ照射方法は、第４の局面においては、第１レーザ光の照射により被照射物を溶融し再結晶化する工程を、照射位置をずらしながら順次繰返し、所定方向における一方側に順次引継ぎ成長する結晶を作製する引継ぎ結晶作製ステップと、一方側への引継ぎ成長が２回以上進んだ段階の結晶を、一方側とは逆の他方側に結晶成長させるように、被照射物に第１レーザ光の照射を行なう逆方向成長ステップとを含む。引継ぎ結晶作製ステップの一部が、逆方向成長ステップを兼ねてもよい。
【００２２】
本発明は、被照射物として非結晶材料を用い、上記第１の局面のレーザ照射方法によって、第１〜第ｎ照射領域に対応する位置で、順次、非結晶材料が結晶化されてなる結晶材料であって、第ｍ照射領域（２≦ｍ≦ｎ）で形成された結晶を種結晶として、第１の方向と第２の方向との双方向に結晶成長された、結晶材料が含む。
【００２３】
また本発明は、被照射物として非結晶材料を用い、上記第２の局面のレーザ照射方法によって、第１〜第ｎ照射領域に対応する位置で、順次、非結晶材料が結晶化されてなる結晶材料であって、第ｊ照射領域（２≦ｊ≦ｎ−１）で形成された結晶を種結晶として、第１の方向に結晶成長された、結晶材料が含む。
【００２４】
さらに、本発明は、被照射物として非結晶材料を用い、上記第３の局面のレーザ照射方法によって、第１〜第ｎ照射領域に対応する位置で、順次、非結晶材料が結晶化されてなる結晶材料であって、第ｊ照射領域（２≦ｊ≦ｎ−１）で形成された結晶を種結晶として、第１の方向と第２の方向との双方向に結晶成長された、結晶材料を含む。
【００２５】
さらに、本発明は、被照射物として非結晶材料を用い、上記いずれかのレーザ照射方法によって作製される結晶材料であって、くびれ部のない結晶粒の集合からなる多結晶材料である、結晶材料を含む。
【００２６】
また、本発明には、上記いずれかの結晶材料を用いて作製された機能素子、あるいは、くびれ部のない結晶粒の集合からなる多結晶材料を用いて作製される機能素子が含まれる。この機能素子は、結晶粒が略平行に整列していることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のレーザ照射装置およびレーザ照射方法によれば、（１）結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の結晶を「両方向成長の起点種結晶」とし、（２）この「両方向成長の起点種結晶」を上下両方向、および／または左右両方向に結晶成長させるように構成されているから、成長起点にくびれ部のない、均質で幅広の結晶を得ることができる。
【００２８】
また、上記の均質結晶を用いることにより、特性バラツキの小さいトランジスタ等、優れた機能素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［実施形態１］
本発明の実施形態１に係るレーザ照射装置１０の構成を、図１を参照して説明する。レーザ照射装置１０は、第１レーザ光Ｌ１を出力する第１レーザ出力手段５と、第１マスク群１と、第１マスク群１の開口部を通過した第１レーザ光Ｌ１を、被照射物８０上に結像する結像光学系６と、被照射物８０を第1マスク群１（および第１レーザ光Ｌ１）に対して相対的に移動させる移動手段７と、第１レーザ出力手段５による第１レーザ光Ｌ１の出射タイミングと、移動手段７の移動とを制御する制御手段８とから構成されている。
【００３０】
ここで、上記の第１レーザ出力手段５は、レーザ発振機５ａと、その後段に配置され、レーザ光のサイズ、形状や均一性を所望のものとするための光学系５ｂ（レンズやホモジナイザを適宜に組み合わせた構成）とからなっている。
【００３１】
また、第１マスク群１は、図２に示すように、横長の長尺状スリット（本発明における開口部で、スリット幅：ＳＷ）と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎのマスク（マスク長さ：Ｌ）が、第１マスク１−１、第２マスク１−２、…、第ｎマスク１−ｎ（図２の例では、ｎ＝７）の順に設けられて構成されており、この第１〜第ｎマスクの各々を介した第１レーザ光Ｌ１の照射によって、被照射物８０上に、夫々、第１〜第ｎの照射領域が形成されるようになっている。なお、この第１マスク群１において、スリット幅ＳＷは数μｍ〜１０μｍ程度のオーダで、マスク長さＬは数１００μｍ〜１ｍｍ程度のオーダのものである。
【００３２】
さらに、このマスク群１では、第１〜第ｎの各マスクのスリットが、１−１ａ、１−２ａ、…、１−７ａのように段差δをもつ階段状のスリットグループを構成しており（スリットグループ１ａ）、このような階段状のスリットグループが、１ａ、１ｂ、…といった具合に、上下方向に複数組整列されている。なお、スリット１−１ａ、１−２ａ、…、１−７ａの間の各段差δはスリット幅ＳＷの１／２よりも小さくなるように設定されている。
【００３３】
また、隣接するスリットグループ１ａ、１ｂについては、マスク群１の横方向（Ｘ方向）相対移動によって、スリットグループ１ｂの中の最上部のスリット１−７ｂによるレーザ照射領域が、その上部に位置するスリットグループ１ａの中の複数のスリット（図２の例では、１−１ａ、１−２ａ、１−３ａ）により形成されていた照射領域とＯＬ１だけ重複するように配置されている。
【００３４】
本実施形態に係るレーザ照射装置１０では、このように、一つのスリットグループの中の最上部のスリットによるレーザ照射領域（第ｎ照射領域）が、その上部のスリットグループの中の複数のスリットにより形成されていた第１〜第ｍ照射領域（ｍは、２≦ｍ≦ｎを満たす整数で、図２の例ではｍ＝３）と重複するように、第１マスク群１の開口部が配置されている点に特徴がある。すなわち、この点が、「スリットグループの中の最上部のスリットによるレーザ照射領域（第ｎ照射領域）が、その上部のスリットグループの中の最下部のスリットにより形成されていた第１照射領域のみと重複する」という従来技術の構成（図１６）との相違点である。
【００３５】
次に、レーザ照射装置１０によるレーザ照射方法について説明する。なお、本実施形態における被照射物８０は、基板上に形成された非結晶Ｓｉ薄膜であり、この場合には、第１レーザ出力手段５として、非結晶Ｓｉ薄膜に吸収される波長域のレーザ、例えば、エキシマレーザや、高調波（２次、３次）ＹＡＧレーザ等を用いる。
【００３６】
まず、制御手段８が、第１レーザ出力手段５による第１レーザ光Ｌ１の出射タイミングと、移動手段７の移動とを制御することにより、被照射物８０上のある位置に第１ショット目のレーザ照射を行う。このとき、第１レーザ出力手段５より出力される第１レーザ光Ｌ１は第１マスク群１の開口部を通過し、この開口部を通過した第１レーザ光Ｌ１が結像光学系６によって結像され、その結果、被照射物８０上に第１マスク群１のスリットパターンが投影される。なお、現実には、図１に示すように、結像光学系６によりマスク群１のスリットが被照射物８０上に縮小投影される場合が多いが、本明細書では、説明の便宜上、被照射物８０上に等倍でスリットが投影されるものとして発明内容を説明する。
【００３７】
図３（ａ）は、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０上に形成される第１ショット目のレーザ照射パターンを示しており、このレーザ照射によって、図３（ｂ）に示すように、スリットが投影される各位置において、スリットの端部（スリットの上下端）に対応する部分からスリットの中央部に対応する部分に向けて結晶成長が起こる（第１ショット結晶化）。例えば、第１マスク１−１のスリット１−１ａに対応する第１照射領域２−１ａにおいては、結晶３−１ａが形成される。なお、図中の結晶３−１ａ内の縦線は、結晶成長方向に沿ってできる結晶粒界を模式的に示したものであり、スリットの両端部に対応する位置から各々中央に向けて成長した結晶同士は、スリットの中央に対応する位置で衝突し、リッジ（突起部）４−１ａが形成される。なお、スリットの端部に対応する位置から成長する結晶は、必ずしもスリットの中央に対応する位置まで伸びなくてもよいが、後述の引継ぎ成長を行うための条件として、少なくとも、スリット間段差δに対応する長さまでは伸びている必要がある。
【００３８】
続いて、制御手段８が、第１レーザ光Ｌ１の出射タイミングと移動手段７の移動とを制御することにより、移動手段７が、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０に対してマスク群１（および第１レーザ光Ｌ１）をマスク長さＬだけＸ方向に相対的に移動させ、この状態で、第１レーザ出力手段５が第２ショット目のレーザ照射を行う。このときには、図３（ｃ）のＡラインに着目して分かるように、第１ショット（第１照射領域２−１ａ）で形成された結晶３−１ａ（リッジ４−１ａ）と重複して（重複量は、スリット幅ＳＷ−段差δに対応）、第２マスク１−２のスリット１−２ａによるレーザ照射が行われる（第２照射領域２−２ａが形成される）。その結果、結晶３−１ａのリッジ４−１ａを消去しながら、第１ショット（第１照射領域２−１ａ）の結晶３−１ａを種結晶とするＹ１方向の結晶成長（引継ぎ成長）が起こり、結晶３−２ａが形成される。
【００３９】
以後、第７ショットまで同様の動作を繰り返すことにより（図３（ｄ）〜３（ｈ））、図３のＡライン上において、スリットグループ１ａ（スリット１−１ａ、１−２ａ…、１−７ａ）による第１〜第７レーザ照射領域２−１ａ、２−２ａ、２−３ａ、２−４ａ、２−５ａ、２−６ａ、２−７ａがＹ１方向に順次重なり、第１ショット（第１照射領域２−１ａ）の結晶３−１ａを種結晶として、Ｙ１方向に順次引き継ぎ成長した最終結晶３ａが作製される。なお、スリットグループ１ａによるこの最終結晶３ａ（引継ぎ成長）の最終端は、第７ショット（第７照射領域２−７ａ）の結晶３−７ａのリッジ４−７ａとなる。
【００４０】
ここで、第５ショット（図３（ｆ））以降においては、上記スリットグループ１ａによるＹ１方向の順次の引き継ぎ結晶成長と同時に、それ以前（第１ショット〜第４ショット）に形成されていた結晶に、下方のスリットグループ１ｂによるレーザ照射領域が重複することにより、Ｙ１とは逆方向のＹ２方向の結晶成長も起こっている。
【００４１】
具体的には、第５ショットでは、スリットグループ１ｂのスリット１−５ｂによる照射領域２−５ｂが、第１ショットの結晶３−１ａと重複し、また、第６ショットでは、スリットグループ１ｂのスリット１−６ｂによる照射領域２−６ｂが、第２ショットの結晶３−２ａと重複する。そして、第７ショットでは、スリットグループ１ｂのスリット１−７ｂによる第７照射領域２−７ｂが、第３ショット（スリットグループ１ａによる第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａと重複する。なお、最終結晶３ａに対しては、図３（ｈ）に示すように、スリットグループ１ｂによる第５ショットと第６ショットの痕跡は残らず（第７ショットによって消去される）、最終の第７ショット（第７照射領域２−７ｂ）の痕跡のみが残る。
【００４２】
したがって、Ａライン上の最終結晶３ａは、
（１）スリットグループ１ａによる、第１ショット（第１照射領域２−１ａ）の結晶３−１ａを種結晶とするＹ１方向の順次引継ぎ成長（第１〜第７ショット）と、
（２）第３ショット（スリットグループ１ａによる第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａを種結晶とする、スリットグループ１ｂ（第７照射領域２−７ｂ）による、Ｙ１方向とは逆のＹ２方向の結晶成長（第７ショット）と、によって形成されたものとなる。つまりは、図４の拡大図に示されるように、第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）として、Ｙ１およびＹ２の両方向に成長した結晶となる。
【００４３】
なお、この最終結晶３ａは、第７ショットにおいて、隣接するスリットグループ（１ａ、１ｂ）で形成される各々の結晶（３−７ａ、３−７ｂ）のリッジによって挟まれる領域（４−７ａ〜４−７ｂの間の領域）が一単位となり、このような一単位の最終結晶が、上下方向に整列されている複数のスリットグループによるレーザ照射によって隙間なく埋め尽くされる。
【００４４】
ここで、上記のＹ１方向およびＹ２方向は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の方向および第２の方向に対応する。また、上記（１）のステップは、請求項１１における引継ぎ結晶作製ステップに対応し、（２）のステップは、逆方向成長ステップに対応する。そして、引継ぎ結晶作製ステップの一部である第７ショットが、逆方向成長ステップを兼ねている。
【００４５】
また、別の側面から見ると、順次の引継ぎ成長が３回進んだ段階の第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａを作製するステップ（第１〜第３ショット）は、請求項１０における種結晶作製ステップに対応し、この第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）として、この種結晶を、Ｙ１およびＹ２の両方向に成長させるステップ（第４〜第７ショット）は、両方向成長ステップに対応する。
【００４６】
上記した、Ａライン上における、第１ショット〜第７ショットにかけての結晶成長の過程は、図５の結晶写真（ＳＥＭ写真）を参照すると理解しやすく、このようにして作製される最終結晶３ａは、従来技術のように、第１ショット（第１照射領域２−１ａ）の結晶３−１ａ（結晶核をもたない非結晶Ｓｉ薄膜を溶融し再結晶化したものであるから、結晶幅が狭く不均質：図５（ａ））を「両方向成長の起点種結晶」とするのではなく、結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａ（図５（ａ）に比べて結晶幅が広く均質：図５（ｃ））を「両方向成長の起点種結晶」としている。
【００４７】
実施形態１のレーザ照射装置、および、レーザ照射方法では、このように、（１）結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の結晶（第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶）を「両方向成長の起点種結晶」としていること、および、（２）この結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の種結晶を上下両方向（Ｙ１・Ｙ２方向）に結晶成長させることに特徴があり、この構成によって、図６（ａ）の結晶写真に示す如くに、成長起点にくびれ部をもつこともなく、従来技術（図６（ｂ））に比べて均質で幅広の結晶粒が得られている。すなわち、均一な巨大結晶を作製することができる。
【００４８】
なお、上記では、「両方向成長の起点種結晶」を第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶とする場合について説明したが、これに限らず、「両方向成長の起点種結晶」は第２ショット（第２照射領域２−２ａ）以降の結晶であればよく、それに応じて、マスク群１（図２）における重複量ＯＬ１を適宜に調整すればよい。すなわち、マスク群１の横方向（Ｘ方向）相対移動によって、スリットグループ１ｂの中の最上部のスリット１−７ｂによるレーザ照射領域が、その上部に位置するスリットグループ１ａにより形成される所定の照射領域（スリット）と重複するように、重複量ＯＬ１を調整すればよい。但し、最終結晶の結晶長と均質性のトレードオフを考慮すると、マスク数（ｎ）の半分弱程度の第（ＩＮＴ（ｎ／２））照射領域の結晶を、「両方向成長の起点種結晶」とするのが適切である。ここで、ＩＮＴ（ｎ／２）は、（ｎ／２）を超えない最大の整数を意味する。
【００４９】
［実施形態１の変形例１］
実施形態１では、第1マスク群１の横方向（Ｘ方向）相対移動により、この移動方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ１およびＹ２方向）にレーザ照射領域を重ねるものであったが、照射領域を重ねる方向はこの方向に限らず、Ｘ方向と平行でもよく、また、斜め方向等の任意の方向でもよい。本変形例１では、第1マスク群の相対移動方向（Ｘ方向）と平行方向にレーザ照射領域を重ねる場合に用いる第1マスク群１１について説明する。
【００５０】
第１マスク群１１は、図７に示すように、縦長の長尺状スリット（本発明における開口部で、スリット幅：ＳＷ）と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎのマスク（マスク長さ：Ｌ）が、第１マスク１１−１、第２マスク１１−２、…、第ｎマスク１１−ｎ（図７の例では、ｎ＝７）の順に設けられて構成されており、この第１〜第ｎマスクの各々を介した第１レーザ光Ｌ１の照射によって、被照射物８０上に、夫々、第１〜第ｎの照射領域が形成される。
【００５１】
さらに、このマスク群１１では、第１〜第ｎの各マスクのスリットが、１１−１ａ、１１−２ａ、…、１１−７ａのように、マスク端部からの距離を順次δずつずらしてなる縦スリットグループを構成しており（縦スリットグループ１１ａ）、このような縦スリットグループが、１１ａ、１１ｂ、…といった具合に、左右方向に複数組整列されている。なお、スリット１１−１ａ、１１−２ａ、…、１１−７ａの間の各ずらし量δはスリット幅ＳＷの１／２よりも小さくなるように設定されている。また、隣接するスリットグループ１１ａ、１１ｂについては、マスク群１１の横方向（Ｘ方向）相対移動によって、スリットグループ１１ｂ中の最も右寄りのスリット１１−７ｂによるレーザ照射領域が、その右側に位置するスリットグループ１１−ａの中の複数のスリット（図７の例では、１１−１ａ、１１−２ａ、１１−３ａ）により形成されていた照射領域とＯＬ１１だけ重複するように配置されている。なお、この重複量ＯＬ１１は、スリット１１−１ａ左端の第１マスク端部からの距離をｂ１、および、スリット１１−７ｂ右端の第７マスク端部からの距離をｂ７とするとき、ＯＬ１１＝ｂ１−ｂ７で与えられる。また、スリット１１−２ａ左端の第２マスク端部からの距離をｂ２、スリット１１−３ａ左端の第３マスク端部からの距離をｂ３とすると、ｂ１＞ｂ２＞ｂ３＞ｂ７の関係にある。
【００５２】
図８（ａ）は、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０上に形成される第１ショット目のレーザ照射パターンを示しており、このレーザ照射によって、図８（ｂ）に示すように、スリットが投影される各位置において、スリットの端部（スリットの左右端）に対応する部分からスリットの中央部に対応する部分に向けて結晶成長が起こる（第１ショット結晶化）。例えば、第１マスク１１−１のスリット１１−１ａに対応する第１照射領域１２−１ａにおいては、結晶１３−１ａが形成される。なお、図中の結晶１３−１ａ内の横線は、結晶成長方向に沿ってできる結晶粒界を模式的に示したものであり、スリットの両端部に対応する位置から各々中央に向けて成長した結晶同士は、スリットの中央に対応する位置で衝突し、リッジ（突起部）１４−１ａが形成される。
【００５３】
続いて、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０に対してマスク群１１（および第１レーザ光Ｌ１）をマスク長さＬだけＸ方向に相対的に移動させ、この状態で、第２ショット目のレーザ照射を行う。このときには、図８（ｃ）のＡ領域に着目して分かるように、第１ショット（第１照射領域１２−１ａ）で形成された結晶１３−１ａ（リッジ１４−１ａ）と重複して（重複量は、スリット幅ＳＷ−δに対応）、第２マスク１１−２のスリット１１−２ａによるレーザ照射が行われる（第２照射領域１２−２ａが形成される）。その結果、結晶１３−１ａのリッジ１４−１ａを消去しながら、第１ショット（第１照射領域１２−１ａ）の結晶１３−１ａを種結晶とするＸ１方向の結晶成長が起こり、結晶１３−２ａが形成される。
【００５４】
以後、第７ショットまで同様の動作を繰り返すことにより（図８（ｄ）〜図８（ｈ））、図８のＡ領域において、スリットグループ１１ａによる第１〜第７レーザ照射領域１２−１ａ、１２−２ａ、１２−３ａ、１２−４ａ、１２−５ａ、１２−６ａ、１２−７ａがＸ１方向に順次重なり、第１ショット（第１照射領域１２−１ａ）の結晶１３−１ａを種結晶としてＸ１方向に順次引継ぎ成長した最終結晶１３−ａが作製される。なお、スリットグループ１１ａによるこの最終結晶１３ａ（引継ぎ成長）の最終端は、第７ショット（第７照射領域１２−７ａ）の結晶１３−７ａのリッジ１４−７ａとなる。上述の引継ぎ成長の様子は、図８（ｂ）〜（ｈ）のＡ領域を拡大した図９（ｂ）〜（ｈ）を参照すると理解しやすい。
【００５５】
ここで、第５ショット（図８（ｆ）、図９（ｆ））以降においては、上記スリットグループ１１ａによるＸ１方向の順次の引き継ぎ結晶成長と同時に、それ以前（第１ショット〜第４ショット）に形成されていた結晶に、左側のスリットグループ１１ｂによるレーザ照射領域が重複することにより、Ｘ１とは逆方向のＸ２方向の結晶成長も起こることになる。
【００５６】
具体的には、第５ショットでは、スリットグループ１１ｂのスリット１１−５ｂによる照射領域１２−５ｂが、第１ショットの結晶１３−１ａと重複し、また、第６ショットでは、スリットグループ１１ｂのスリット１１−６ｂによる照射領域１２−６ｂが、第２ショットの結晶１３−２ａと重複する。そして、第７ショットでは、スリットグループ１１ｂのスリット１１−７ｂによる第７照射領域１２−７ｂが、第３ショット（スリットグループ１１ａによる第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａと重複する。なお、最終結晶１３ａに対しては、図８（ｈ）、図９（ｈ）に示すように、スリットグループ１１ｂによる第５ショットと第６ショットの痕跡は残らず（第７ショットによって消去される）、最終の第７ショット（第７照射領域１２−７ｂ）の痕跡のみが残る。
【００５７】
したがって、Ａ領域の最終結晶１３ａは、
（１）スリットグループ１１ａによる、第１ショット（第１照射領域１２−１ａ）の結晶１３−１ａを種結晶とするＸ１方向の順次引継ぎ成長（第１〜第７ショット）と、
（２）第３ショット（スリットグループ１１ａによる第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａを種結晶とする、スリットグループ１１ｂ（第７照射領域１２−７ｂ）による、Ｘ１方向とは逆のＸ２方向の結晶成長（第７ショット）と、によって形成されたものとなる。つまりは、第３ショット（第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）として、Ｘ１およびＸ２の両方向に成長した結晶となる。なお、この最終結晶１３ａは、第７ショットにおいて、隣接するスリットグループ（１１ａ、１１ｂ）で形成される各々の結晶（１３−７ａ、１３−７ｂ）のリッジによって挟まれる領域（１４−７ａ〜１４−７ｂの間の領域）が一単位となり、このような一単位の最終結晶が、左右方向に整列されている複数のスリットグループによるレーザ照射によって隙間なく埋め尽くされる。
【００５８】
ここで、上記のＸ１方向およびＸ２方向は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の方向および第２の方向に対応する。また、上記（１）のステップは、請求項１１における引継ぎ結晶作製ステップに対応し、（２）のステップは、逆方向成長ステップに対応する。そして、引継ぎ結晶作製ステップの一部である第７ショットが、逆方向成長ステップを兼ねている。
【００５９】
また、別の側面から見ると、順次の引継ぎ成長が３回進んだ段階の第３ショット（第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａを作製するステップ（第１〜第３ショット）は、請求項１０における種結晶作製ステップに対応し、この第３ショット（第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）として、この種結晶を、Ｘ１およびＸ２の両方向に成長させるステップ（第４〜第７ショット）は、両方向成長ステップに対応する。
【００６０】
このようにして作製される最終結晶１３ａは、従来技術のように、第１ショット結晶（結晶核をもたない非結晶Ｓｉ薄膜を溶融し再結晶化したものであるから、結晶幅が狭く不均質）を「両方向成長の起点種結晶」とするのではなく、結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の第３ショット（第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａを「両方向成長の起点種結晶」として、左右両方向（Ｘ１・Ｘ２方向）に結晶成長させたものであるから、成長起点にくびれ部をもつようなこともなく、従来技術に比べて均質で幅広の結晶粒が得られる。すなわち、均一な巨大結晶を作製することができる。
【００６１】
なお、本変形例１の最終結晶１３ａは、第１実施形態の最終結晶３ａと比べて、結晶成長の方向が異なるのみで、結晶幅や均質性は全く同じである。
【００６２】
［実施形態１の変形例２］
実施形態１では、第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａを「両方向成長の起点種結晶」としてＹ１・Ｙ２の両方向（上下方向）に成長する最終結晶３ａが得られ、また、変形例１では、第３ショット（第３照射領域１２−３ａ）の結晶１３−３ａを「両方向成長の起点種結晶」としてＸ１・Ｘ２の両方向（左右方向）に成長する最終結晶１３ａが得られた。
【００６３】
したがって、実施形態１における方法で、上下方向に成長した最終結晶３ａを作製し、その後、この最終結晶３ａを種結晶として、変形例１の方法によって左右方向に結晶成長させれば、角型結晶を作製することも可能である。
【００６４】
このような場合には、図１０に示すように、変形例１のマスク群１１（図７）を第２マスク群として、実施形態１の第１マスク群１（図２）の横に配置した複合マスク２１を用いればよい。複合マスク２１を用いて作製される最終結晶は、上下方向（Ｙ１・Ｙ２方向）に成長した均質で幅広の縦長結晶（実施形態１の最終結晶３ａ）を、左右方向（Ｘ１・Ｘ２方向）に引き伸ばしたものであるため、図１１に示す如くに均質な角型結晶２３となる。
【００６５】
［実施形態１の変形例３］
上記の変形例２では、変形例１のマスク群１１を第２マスク群として、実施形態１の第１マスク群１の横に配置した複合マスク２１を用いた場合について説明したが、図１２に示すように、第１マスク群の各マスク１−１、１−２、…、１−ｎと、第２マスク群１１の各マスク１１−１、１１−２、…、１１−ｎとが、１−１、１１−１、１−２、１１−２、…、１−ｎ、１１−ｎといった具合に交互に配置された複合マスク３１を用いても、変形例２と同様の角型結晶を作製することができる。この複合マスク３１を用いた場合には、直交するＹ１方向とＸ１方向の結晶成長が交互に繰り返されて、順次、角型結晶が拡大されるとともに、この成長がある程度進んだ段階の結晶（Ｙ１方向とＸ１方向の各第３ショット結晶）を種結晶とする、Ｙ２方向とＸ２方向の成長により最終結晶が作製される。この最終結晶（角型結晶）は、変形例２（図１１）と同様のものであるが、徐々に結晶が拡大されるため、変形例２の場合よりも結晶品質が良好である。
【００６６】
［実施形態２］
実施形態１では、従来技術のように、第１ショット結晶（結晶核をもたない非結晶Ｓｉ薄膜を溶融し再結晶化したものであるから、結晶幅が狭く不均質）を「両方向成長の起点種結晶」とするのではなく、結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の結晶（第３ショット（第３照射領域２−３ａ）の結晶３−３ａ）を「両方向成長の起点種結晶」として用い、この種結晶をＹ１・Ｙ２の両方向に成長させることによって、成長起点にくびれ部のない、均質で幅広の結晶粒を得ている。つまり、（１）結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の結晶を「両方向成長の起点種結晶」として用いること、および、（２）この結晶成長が進んだ段階の種結晶を左右両方向（Ｙ１・Ｙ２方向）、又は、上下両方向（Ｘ１・Ｘ２方向）に結晶成長させることが重要であり、これらのことを実現するための構成は、第１実施形態やその変形例の構成に限られるものではない。
【００６７】
本発明の実施形態２では、実施形態１とは異なる形態の第１マスク群４１を用いて、「結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の結晶を「両方向成長の起点種結晶」とし、この種結晶を、Ｙ１・Ｙ２の両方向に結晶成長させる」構成について説明する。なお、第１マスク群４１以外の構成は、実施形態１のレーザ照射装置１０（図１）と同一である。
【００６８】
本実施形態の第１マスク群４１は、図１３に示すように、横長の長尺状スリット（本発明における開口部で、スリット幅：ＳＷ）と遮光部とからなるスリットパターンが形成された第１〜第ｎのマスク（マスク長さ：Ｌ）が、第１マスク４１−１、第２マスク４１−２、…、第ｎマスク４１−ｎ（図１３の例では、ｎ＝７）の順に設けられて構成されており、この第１〜第ｎマスクの各々を介した第１レーザ光Ｌ１の照射によって、被照射物８０上に、夫々、第１〜第ｎの照射領域が形成される。
【００６９】
また、このマスク群４１では、第１〜第ｎの各マスクのスリットが、４１−２ａ〜４１−１ａ、および、４１−２ａ〜４１−３ａ〜…〜４１−７ａといったように、底部スリット（４１−２ａ）を境にしたＶ型階段状のスリットグループを構成している（スリットグループ４１ａ）。なお、スリット４１−１ａと４１−２ａの間の段差δ、および、スリット４１−３ａ、４１−４ａ、…、４１−７ａの間の各段差δは、スリット幅ＳＷの１／２よりも小さくされているが、スリット４１−２ａと４１−３ａとの間の段差δ２は、スリット幅ＳＷの１／２よりも大きくなっている。
【００７０】
上記のようなＶ型階段状のスリットグループは、４１ａ、４１ｂ、…といった具合に、上下方向に複数組整列されており、隣接するスリットグループ４１ａ、４１ｂについては、マスク群４１の横方向（Ｘ方向）相対移動によって、スリットグループ４１ｂの中の最上部のスリット４１−７ｂによるレーザ照射領域が、その上部に位置するスリットグループ４１ａの中の底部スリット４１−２ａにより形成されていた照射領域とＯＬ４１だけ重複するように配置されている。なお、この重複量ＯＬ４１は、底部スリット４１−２ａのスリット幅ＳＷの１／２よりも大きくされている。
【００７１】
本実施形態２では、このように、底部スリットによる第Ｊ照射領域（Ｊは、２≦Ｊ≦ｎ−１を満たす整数で、図１３の例では、Ｊ＝２）を境として、第１〜第Ｊの照射領域が下方向（Ｙ２方向）に順次重なり、かつ、第Ｊ〜第ｎの照射領域が上方向（Ｙ１方向）に順次重なるように、第１マスク群４１の開口部を配置している。また、下方に位置するスリットグループの中の最上部のスリットによるレーザ照射領域（第ｎ照射領域）が、上記底部スリットにより形成されていた第Ｊ照射領域と重複するように、第１マスク群４１の開口部を配置している。
【００７２】
図１４（ａ）は、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０上に形成される第１ショット目のレーザ照射パターンを示しており、このレーザ照射によって、図１４（ｂ）に示すように、スリットが投影される各位置において、スリットの端部（スリットの上下端）に対応する部分からスリットの中央部に対応する部分に向けて結晶成長が起こる（第１ショット結晶化）。例えば、第１マスク４１−１のスリット４１−１ａに対応する第１照射領域４２−１ａにおいては、結晶４３−１ａが形成される。なお、図中の結晶４３−１ａ内の縦線は、結晶成長方向に沿ってできる結晶粒界を模式的に示したものであり、スリットの両端部に対応する位置から各々中央に向けて成長した結晶同士は、スリットの中央に対応する位置で衝突し、リッジ（突起部）４４−１ａが形成される。
【００７３】
続いて、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０に対してマスク群４１（および第１レーザ光Ｌ１）をマスク長さＬだけＸ方向に相対的に移動させ、この状態で、第２ショット目のレーザ照射を行う。このときには、図１４（ｃ）のＡラインに着目して分かるように、第１ショット（第１照射領域４２−１ａ）で形成された結晶４３−１ａ（リッジ４４−１ａ）とＹ２方向に重複して、第２マスク４１−２のスリット４１−２ａ（底部スリット）によるレーザ照射が行われる（第２照射領域４２−２ａが形成される）。その結果、第１ショット結晶４３−１ａのリッジ４４−１ａを消去しながら、結晶４３−１ａを種結晶とするＹ２方向の結晶成長が起こり、結晶４３−２ａが形成される。なお、この第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａは、後述の「両方向成長の起点種結晶」として作用するものである。
【００７４】
さらに続いて、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０に対してマスク群４１（および第１レーザ光Ｌ１）をマスク長さＬだけＸ方向に相対的に移動させ、この状態で、第３ショット目のレーザ照射を行う。このときには、図１４（ｄ）のＡラインに着目して分かるように、第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）で形成された結晶４３−２ａとＹ１方向に重複して、第３マスク４１−３のスリット４１−３ａによるレーザ照射が行われる（第３照射領域４２−３ａが形成される）。その結果、第２ショット結晶４３−２ａを種結晶とする、Ｙ２方向とは逆のＹ１方向の結晶成長が起こり、結晶４３−３ａが形成される。なお、この第３照射領域４２−３ａは、第２ショット結晶４３−２ａのリッジ４４−２ａと重複しない（リッジ４４−２ａを消去しない）ようになっているが、これは、第２ショット結晶４３−２ａの、第１ショット結晶４３−１ａからＹ２方向に引継ぎ成長した部分（結晶成長が進んだ部分）を、第３ショット以降の引継ぎ成長における種結晶として用いるためである。
【００７５】
さらに続いて、基板（非結晶Ｓｉ薄膜）８０に対してマスク群４１（および第１レーザ光Ｌ１）をマスク長さＬだけＸ方向に相対的に移動させ、この状態で、第４ショット目のレーザ照射を行う。このときには、図１４（ｅ）のＡラインに着目して分かるように、第３ショット（第３照射領域４２−３ａ）で形成された結晶４３−３ａ（リッジ４４−３ａ）とＹ１方向に重複して、第４マスク４１−４のスリット４１−４ａによるレーザ照射が行われる（第４照射領域４２−４ａが形成される）。その結果、第３ショット結晶４３−３ａのリッジ４４−３ａを消去しながら、第３ショット結晶４３−３ａを種結晶とするＹ１方向の結晶成長が起こり、結晶４３−４ａが形成される。
【００７６】
以後、第７ショットまで同様の動作を繰り返すことにより（図１４（ｆ）〜図１４（ｈ））、図１４のＡライン上において、スリットグループ４１ａによる第２〜第７レーザ照射領域４２−２ａ、４２−３ａ、４２−４ａ、４２−５ａ、４２−６ａ、４２−７ａがＹ１方向に順次重なり、第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを種結晶として、Ｙ１方向に順次引き継ぎ成長した最終結晶４３ａが作製される。なお、スリットグループ４１ａによるこの最終結晶４３ａ（引継ぎ成長）の最終端は、第７ショット（第７照射領域４２−７ａ）の結晶４３−７ａのリッジ４４−７ａとなる。
【００７７】
ここで、第７ショット（図１４（ｈ））においては、上記スリットグループ４１ａ（第７照射領域４２−７ａ）によるＹ１方向の引継ぎ成長と同時に、第２ショットで形成されていた結晶４３−２ａに、下方のスリットグループ４１ｂのスリット４１−７ｂによる第７照射領域４２−７ｂが重複することにより、Ｙ１とは逆方向のＹ２方向の結晶成長も起こる。
【００７８】
したがって、Ａライン上の最終結晶４３ａは、
（１）スリットグループ４１ａによる、第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを種結晶とするＹ１方向の順次引継ぎ成長（第２〜第７ショット）と、
（２）第２ショット（スリットグループ４１ａによる第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを種結晶とする、スリットグループ４１ｂ（第７照射領域４２−７ｂ）による、Ｙ１方向とは逆のＹ２方向の結晶成長（第７ショット）と、によって形成されたものとなる。つまりは、第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）として、Ｙ１およびＹ２の両方向に成長した結晶となる。なお、この最終結晶４３ａは、第７ショットにおいて、隣接するスリットグループ（４１ａ、４１ｂ）で形成される各々の結晶（４３−７ａ、４３−７ｂ）のリッジによって挟まれる領域（４４−７ａ〜４４−７ｂの間の領域）が一単位となり、このような一単位の最終結晶が、上下方向に整列されている複数のスリットグループによるレーザ照射によって隙間なく埋め尽くされる。
【００７９】
ここで、上記のＹ１方向およびＹ２方向は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の方向および第２の方向に対応する。また、順次の引継ぎ成長が２回進んだ段階の第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを作製するステップ（第１〜第２ショット）は、請求項１０における種結晶作製ステップに対応し、この第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを種結晶（「両方向成長の起点種結晶」）として、この種結晶を、Ｙ１およびＹ２の両方向に成長させるステップ（第３〜第７ショット）は、両方向成長ステップに対応する。
【００８０】
このようにして作製される最終結晶４３ａは、従来技術のように、第１ショット結晶（結晶核をもたない非結晶Ｓｉ薄膜を溶融し再結晶化したものであるから、結晶幅が狭く不均質）を「両方向成長の起点種結晶」とするのではなく、結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶４３−２ａを「両方向成長の起点種結晶」として上下両方向（Ｙ１・Ｙ２方向）に結晶成長させたものであるから、成長起点にくびれ部をもつようなこともなく、従来技術に比べて均質で幅広の結晶粒が得られる。すなわち、均一な巨大結晶を作製することができる。
【００８１】
なお、本実施形態２では、第２マスクのスリットを底部スリットとし、第２ショット（第２照射領域４２−２ａ）の結晶を「両方向成長の起点種結晶」としてＹ１・Ｙ２の両方向結晶成長を起こさせる場合について説明したが、２≦Ｊ≦ｎ−１を満たせば、J＝２以外の第Jマスクのスリットを底部スリットとし、J番目のショットの結晶を「両方向成長の起点種結晶」として用いることも可能である。
【００８２】
［実施形態２の変形例１］
実施形態２では、第1マスク群４１の横方向（Ｘ方向）相対移動により、この移動方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ１およびＹ２方向）にレーザ照射領域を重ねるものであったが、照射領域を重ねる方向はこの方向に限らず、Ｘ方向と平行でもよく、また、斜め方向等の任意の方向でもよい。例えば、実施形態１の変形例１と同様に、各マスクのスリットの、マスク端部からの距離を順次ずらして縦スリットグループを構成し、結果的に図１４の照射パターンを９０度回転させたような照射パターンを形成することも可能である。
【００８３】
［実施形態２の変形例２］
実施形態２に示す方法で、上下方向に成長した最終結晶を作製し、その後、この最終結晶を種結晶として、実施形態１の変形例１、または、実施形態２の変形例１に示す方法によって左右方向に結晶成長させれば、角型結晶を作製することも可能である。この場合には、実施形態１の変形例２、３と同様に、上下方向成長用マスクと左右方向成長用マスクとを並べて配置、または、交互に配置した複合マスクを用いればよい。
【００８４】
［実施形態３］
本発明の実施形態３に係るレーザ照射装置６０の構成を、図１５を参照して説明する。レーザ照射装置６０は、第１レーザ光Ｌ１を出力する第１レーザ出力手段５と、第１マスク群１と、第１マスク群１の開口部を通過した第１レーザ光Ｌ１を、被照射物８０上に結像する結像光学系６と、被照射物８０を第1マスク群１（および第１レーザ光Ｌ１）に対して相対的に移動させる移動手段７と、第１レーザ出力手段５による第１レーザ光Ｌ１の出射タイミングと、移動手段７の移動とを制御する制御手段８、および第２レーザ光Ｌ２を出力する第２レーザ出力手段６５とから構成されている。
【００８５】
実施形態１および２は、結晶成長（引継ぎ成長）が進んだ段階の結晶を、「両方向成長の起点種結晶」として用いることにより、くびれ部のない均質で幅広の結晶粒が得られるものであった。しかし、一方で、この「両方向成長の起点種結晶」を形成する過程でのレーザ照射は、最終結晶の結晶長には寄与しないため、最終結晶の結晶長は短くなる傾向にある。これを解消するためには、スリット幅ＳＷを大きくするとともに、階段状やＶ型階段状スリットグループの段差δを大きくするようにすればよい。またこれと同時に、第１レーザ光Ｌ１の一度の照射によって形成される結晶の結晶長を、この段差δに対応する長さよりも長くなるようにすればよい。
【００８６】
上記のように、第１レーザ光Ｌ１の一度の照射によって形成される結晶の結晶長を長くするには、第１マスク群を介した第１レーザ光Ｌ１の照射と同時に、第２レーザ出力手段６５を設けて、被照射物８０上に第２レーザ光Ｌ２を照射する手法が有効である。すなわち、第２レーザ光Ｌ２の照射による加熱効果によって、第１レーザ光照射後の結晶成長過程（溶融Ｓｉの凝固過程）における冷却速度を遅くすれば、結晶長を長くすることができる。そして、そのことによって、幅広のスリットを用い、また段差δを大きくすることができる。
【００８７】
上記のことを実現する第２レーザ光Ｌ２としては、被照射物（非結晶Ｓｉ薄膜）に直接吸収される波長域のレーザ光や、非結晶Ｓｉ薄膜の下層に配置される絶縁膜を加熱する波長域のレーザ光が用いられる。なお、後者の場合には、炭酸ガスレーザ（波長１０．６μｍ）が有効である。
【００８８】
［実施形態４］
実施形態１〜３に係るレーザ照射装置、および、レーザ照射方法によれば、図６（ａ）に示す如くに、くびれ部のない、均質で幅広の結晶粒が得られる。このような均質結晶を用いることにより、特性バラツキの小さいトランジスタを作製することができる。
【００８９】
この実施形態４では、実施形態１〜３に係るレーザ照射装置、および、レーザ照射方法によって得られる結晶を用いて作製される機能素子（トランジスタ）について説明する。
【００９０】
従来技術の結晶（図６（ｂ））と本発明の実施の形態における結晶（図６（ａ））を用いて、各々、複数個（７０個）のトランジスタを作製して特性バラツキを調べたところ、本発明の実施の形態の場合には、Ｖｔｈの標準偏差が、従来技術の場合に比べて約２／３に減少していた。
【００９１】
上記した実施形態１〜４では、被照射物を非結晶Ｓｉ薄膜とし、第１レーザ出力手段５として、エキシマレーザや、高調波（２次、３次）ＹＡＧレーザ等を用いる場合について説明したが、被照射物には非結晶Ｓｉ薄膜以外の非晶質材料や、結晶材料を用いることも可能であり、それに応じて、適宜に第1レーザ出力手段を選択すればよい。
【００９２】
今回開示された実施の形態および実施例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】
【００９３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射装置における第１マスク群１の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射装置によって、被照射物上に形成される照射パターンを説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射装置によって、被照射物上に形成される第７ショットの照射パターンを説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射装置によって作製される結晶の、成長過程を説明するためのＳＥＭ写真図である。
【図６】（ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザ照射装置によって作製される結晶ＳＥＭ写真図である。（ｂ）従来技術の結晶を説明するためのＳＥＭ写真図である。
【図７】本発明の実施形態１の変形例１における第１マスク群の構成図である。
【図８】本発明の実施形態１の変形例１に係るレーザ照射装置によって、被照射物上に形成される照射パターンを説明する図である。
【図９】本発明の実施形態１の変形例１に係るレーザ照射装置によって、被照射物上に形成される照射パターンを詳細に説明する図である。
【図１０】本発明の実施形態１の変形例２における複合マスク群の構成図である。
【図１１】本発明の実施形態１の変形例２によって作製される結晶を説明するためのＳＥＭ写真図である。
【図１２】本発明の実施形態１の変形例３における複合マスクの構成図である。
【図１３】本発明の実施形態２における第１マスク群の構成図である。
【図１４】本発明の実施形態２におけるレーザ照射装置によって、被照射物上に形成される照射パターンを説明する図である。
【図１５】本発明の実施形態３におけるレーザ照射装置の構成図である。
【図１６】従来技術におけるマスク群の構成図である。
【図１７】従来技術によって被照射物上に形成される照射パターンを説明する図である。
【図１８】従来技術によって、被照射物上に形成される照射パターンを詳細に説明する図である。
【図１９】従来技術において種結晶として用いられる第１ショット結晶のＳＥＭ写真図である。
【図２０】従来技術によって作製される結晶のＳＥＭ写真図である。
【符号の説明】
【００９４】
１，１１，４１  第１マスク群、１ａ，１ｂ  スリットグループ（開口部）、５  第１レーザ出力手段、６  結像光学系、７  移動手段、８  制御手段、１０，６０  レーザ照射装置、２１，３１  複合マスク、６５  第２レーザ出力手段、８０  被照射物。
【図１】
2009032903.tif 000003
【図２】
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【図７】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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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８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１４】
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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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