(57)【要約】【課題】半導体結晶を良好に成長させることができるレーザ照射装置を提供する。【解決手段】制御装置７は、被加熱材料の密度が、ρ（ｋｇ／ｍ3）であり、被加熱材料の比熱が、Ｃ（J／ｋｇ・Ｋ）であり、被加熱材料６ｂに対する第２パルスレーザ光の消衰係数が、ｋであり、被加熱材料６ｂからステージへの熱移動における熱透過率が、ｈ（Ｗ／ｍ２・Ｋ）であり、第２パルスレーザ光の波長が、λ（ｍ）であり、第２パルスレーザ光の時間軸波形の半値幅が、ｔｗであり、Ｔ＝(３．０×１０-3)・ρ・Ｃ・λ／（４π・ｋ・ｈ）である場合に、第１パルスレーザ光のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料に照射されている間において、Ｔ−０．１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０．３ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光のピークから遅延して、被照射物６に照射されるように、第１レーザ照射機構１および前記第２レーザ照射機構２を制御する。【選択図】図１
2009044007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料と被加熱材料とを含む被照射物を保持し得るステージと、
前記半導体材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第１パルスレーザ光を前記被照射物に照射し得る第１レーザ照射機構と、
前記被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光を前記被照射物に照射し得る第２レーザ照射機構と、
前記第１レーザ照射機構および前記第２レーザ照射機構を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記被加熱材料の密度が、ρ（ｋｇ／ｍ3）であり、
前記被加熱材料の比熱が、Ｃ（J／ｋｇ・Ｋ）であり、
前記被加熱材料に対する前記第２パルスレーザ光の消衰係数が、ｋであり、
前記被加熱材料から前記ステージへの熱移動における熱透過率が、ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）であり、
前記第２パルスレーザ光の波長が、λ（ｍ）であり、
前記第２パルスレーザ光の時間軸波形の半値幅が、ｔｗであり、
Ｔ＝(３．０×１０-3)・ρ・Ｃ・λ／（４π・ｋ・ｈ）である場合に、
前記第１パルスレーザ光のピークが、前記第２パルスレーザ光が前記被加熱材料に照射されている間において、Ｔ−０．１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０．３ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、前記第２パルスレーザ光のピークから遅延して、前記被照射物に照射されるように、
前記第１レーザ照射機構および前記第２レーザ照射機構を制御する、レーザ照射装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記第２レーザパルス光の時間軸波形の半値幅における中心の時刻が、ｔｃであり、
前記第２レーザパルス光の時間軸波形のピーク時刻が、ｔｐｋであるとして、
ｔｐｋ≧ｔｃである場合には、
前記第１パルスレーザ光のピークが、０≦ｔｄ≦０.３ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、前記第２パルスレーザ光のピークから遅延して、前記被照射物に照射されるように、
前記第１レーザ照射機構および前記第２レーザ光照射機構を制御する、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記第２レーザパルス光の時間軸波形の半値幅における中心の時刻が、ｔｃであり、
前記第２レーザパルス光の時間軸波形のピーク時刻が、ｔｐｋであるとすると、
ｔｐｋ≦ｔｃである場合には、
前記第１パルスレーザ光のピークが、Ｔ−０.１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０.１５ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、前記第２パルスレーザ光のピークから遅延して、前記被照射物に照射されるように、
前記第１レーザ照射機構および前記第２レーザ照射機構を制御する、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
半導体材料と被加熱材料とを含む被照射物を保持し得るステージと、
前記半導体材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第１パルスレーザ光を前記被照射物に照射し得る第１レーザ照射機構と、
前記被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光を前記被照射物に照射し得る第２レーザ照射機構と、
前記第１レーザ照射機構および前記第２レーザ照射機構を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記被加熱材料の密度がρ（ｋｇ／ｍ3）であり、
前記被加熱材料の比熱がＣ（J／ｋｇ・Ｋ）であり、
前記被加熱材料に対する前記第２パルスレーザ光の消衰係数が、ｋであり、
前記被加熱材料から前記ステージへの熱移動における熱透過率が、ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）であり、
前記第２パルスレーザ光の波長が、λ（ｍ）であり、
前記第２パルスレーザ光の時間軸波形の形状が、関数Ｐ（ｔ）（ｔ：時間）であり、
時間ＴＬが、Ｍを定数として、
ＴＬ＝(３．０×１０-3)・ρ・Ｃ・λ／（４π・ｋ・ｈ）×Ｍ
という式によって表わされ、
任意の微小時間がΔｔであるときに、Ｌ（ｔ）＝（Ｐ（ｔ）／ｈ）・｛１−ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）｝＋Ｌ（ｔ−Δｔ）・ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）という漸化式で表される評価関数Ｌ（ｔ）においてピークを与える時刻が、Ｔｐであり、かつ、前記第２パルスレーザ光の時間軸波形の半値幅が、ｔｗであるとすると、
前記第１パルスレーザ光のピークが、前記第２パルスレーザ光が前記被加熱材料に照射されている間において、Ｔｐ−０.１５ｔｗ≦ｔｅ≦Ｔｐ＋０.１５ｔｗという条件を満たす時刻ｔｅにおいて、前記被照射物に照射されるように、
前記第１レーザ照射機構および前記第２レーザ照射機構を制御する、レーザ照射装置。
【請求項５】
前記ステージが１以上の固体材料（熱伝導率λｉ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さｄｉ（ｍ）、ｉ≧１）を含み、
前記レーザ照射装置は、前記１以上の固体材料に流体を接触させることにより前記ステージを冷却する冷却機構をさらに備え、
前記被加熱材料から前記１以上の固体材料へ熱が移動し、かつ、前記１以上の固体材料から前記流体への熱伝達率がｈｗ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）である場合に、
前記熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）が、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）＋（１／ｈｗ）｝という式によって表される、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記ステージが１以上の固体材料（熱伝導率λｉ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さｄｉ（ｍ）、ｉ≧１）を含み、
前記レーザ照射装置は、前記１以上の固体材料に水を接触させることにより前記ステージを冷却する冷却機構をさらに備え、
前記被加熱材料から前記１以上の固体材料へ熱が移動し、かつ、前記１以上の固体材料の熱が前記水に伝達される場合に、
前記熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）が、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）｝という式によって表される、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記第１パルスレーザ光が赤外線レーザであり、かつ、前記被加熱材料がシリコン原子を含む絶縁材料である、請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
前記第２パルスレーザ光が炭酸ガスレーザである、請求項７に記載のレーザ照射装置。
【請求項９】
前記被加熱材料に対する前記炭酸ガスレーザの消衰係数ｋが、４．６×１０-2である、請求項８に記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高性能ＴＦＴ（Thin Film Transistor）に用いられる結晶薄膜を製造する技術として、非晶質半導体薄膜を結晶化するレーザアニール技術が知られている。レーザアニール技術の一例として、複数のレーザを被照射物に照射して、非晶質半導体薄膜を結晶化させる技術がある。そのようなレーザアニール技術を実現するためにレーザ照射装置が用いられる。
【０００３】
そのようなレーザ照射装置は、被照射物が半導体材料と被加熱材料とからなっている場合に、半導体材料に吸収される波長を有する第１パルスレーザ光を被照射物に照射する第１レーザ照射機構と、被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光を被照射物に照射する第２レーザ照射機構とを備えている。
【０００４】
前述のレーザ照射装置の中でも、特に、第２パルスレーザ光として炭酸ガスレーザが用いられ、第１パルスレーザ光としてエキシマレーザが用いられるレーザ照射装置が広く知られている。
【０００５】
この方法は、炭酸ガスレーザをアシストレーザとして用いることにより、効率的に結晶長を大きくする方法である。また、炭酸ガスレーザおよびエキシマレーザの照射タイミングは、次の特許文献に開示されているように様々である。
【０００６】
例えば、特開平１１−３０７４５０号公報には、エキシマレーザを被照射物に照射した後に、炭酸ガスレーザを被照射物に照射するレーザ照射装置が開示されている。
【０００７】
特開平６−２９１０３４号公報には、炭酸ガスレーザの照射による被照射物の予備加熱の終了後に、エキシマレーザを被照射物に照射する方法が開示されている。
【０００８】
特開昭５６−１４２６３０号公報には、炭酸ガスレーザおよびエキシマレーザを完全に同時に被照射物に照射する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３０７４５０号公報
【特許文献２】特開平６−２９１０３４号公報
【特許文献３】特開昭５６−１４２６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、特開平１１−３０７４５０号公報、特開平６−２９１０３４号公報、および、特開昭５６−１４２６３０号公報のそれぞれに開示されているレーザ照射装置を用いて２種類のレーザを被照射物に照射し、半導体薄膜の結晶長を観察する実験を行った。
【００１０】
発明者らの実験の結果から、特開平１１−３０７４５０号公報および特開平６−２９１０３４号公報に記載されているような照射タイミングで、炭酸ガスレーザおよびエキシマレーザを被照射物に照射した場合には、エキシマレーザ単独で被照射物の結晶化を行った場合と同程度の大きさの多結晶半導体薄膜しか得られないこと、つまり、十分な結晶長の多結晶半導体薄膜が得られないことが明らかになった。言い換えれば、実験結果から、炭酸ガスレーザの照射を開始する以前に、または、炭酸ガスレーザの照射を終了した後に、エキシマレーザを被照射物に照射する方法によれば、所望の巨大結晶を得ることが困難であることが分かった。
【００１１】
また、本発明者らの実験の結果から、特開昭５６−１４２６３０号公報に記載されているように、エキシマレーザおよび炭酸ガスレーザをほぼ同時に被照射物に照射する方法によれば、２種類のレーザの照射タイミングの微妙なズレ量に応じて、得られる多結晶半導体の結晶長が異なってしまうことが明らかになった。
【００１２】
前述のような実験結果が得られる理由は、レーザ光の種類に応じて、レーザパルスの形状および被照射物からの放熱の状態が異なっているためであると考えられる。
【００１３】
したがって、２種類のレーザの照射タイミングは、それぞれ、レーザのパルス形状および被照射物からの放熱の状態を考慮して、設定されるべきである。しかしながら、従来においては、２種類のレーザの照射タイミングは、レーザのパルス形状および被照射物からの放熱の状態を考慮することなく設定されている。
【００１４】
したがって、本発明者らは、半導体結晶を良好に成長させるために、半導体材料に吸収される波長を有する第１レーザ光の照射タイミングと、被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２レーザ光の照射タイミングとを適切に設定する手法が必要であると考えている。
【００１５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体結晶を良好に成長させることができるレーザ照射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一の局面のレーザ照射装置は、半導体材料と被加熱材料とを含む被照射物を保持し得るステージと、半導体材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第１パルスレーザ光を被照射物に照射し得る第１レーザ照射機構とを備えている。また、そのレーザ照射装置は、被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光を被照射物に照射し得る第２レーザ照射機構と、第１レーザ照射機構および第２レーザ照射機構を制御する制御装置とを備えている。
【００１７】
前述の制御装置は、第１パルスレーザ光のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料に照射されている間において、Ｔ−０．１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０．３ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光のピークから遅延して、被照射物に照射されるように、第１レーザ照射機構および第２レーザ照射機構を制御する。この場合において、遅延時間ｔｄは、次のパラメータを用いて決定される。
【００１８】
ρ（ｋｇ／ｍ3）：被加熱材料の密度
Ｃ（J／ｋｇ・Ｋ）：被加熱材料の比熱
ｋ：被加熱材料に対する前記第２パルスレーザ光の消衰係数
ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）：被加熱材料からステージへの熱移動における熱透過率
λ（ｍ）：第２パルスレーザ光の波長
ｔｗ（ｓ）：第２パルスレーザ光の時間軸波形の半値幅
Ｔ＝(３．０×１０-3)・ρ・Ｃ・λ／（４π・ｋ・ｈ）
上記の構成によれば、半導体結晶を良好に成長させることができるレーザ照射装置が得られる。
【００１９】
また、制御装置は、第２レーザパルス光の時間軸波形の半値幅における中心の時刻が、ｔｃであり、第２レーザパルス光の時間軸波形のピーク時刻が、ｔｐｋであるとして、ｔｐｋ≧ｔｃである場合には、第１パルスレーザ光のピークが、０≦ｔｄ≦０.３ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光のピークから遅延して、被照射物に照射されるように、第１レーザ照射機構および第２レーザ光照射機構を制御してもよい。
【００２０】
また、制御装置は、第２レーザパルス光の時間軸波形の半値幅における中心の時刻が、ｔｃであり、第２レーザパルス光の時間軸波形のピーク時刻が、ｔｐｋであるとすると、ｔｐｋ≦ｔｃである場合には、第１パルスレーザ光のピークが、Ｔ−０.１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０.１５ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光のピークから遅延して、被照射物に照射されるように、第１レーザ照射機構および第２レーザ照射機構を制御してもよい。
【００２１】
本発明の他の局面のレーザ照射装置は、半導体材料と被加熱材料とを含む被照射物を保持し得るステージと、半導体材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第１パルスレーザ光を被照射物に照射し得る第１レーザ照射機構とを備えている。また、レーザ照射装置は、被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光を被照射物に照射し得る第２レーザ照射機構と、第１レーザ照射機構および第２レーザ照射機構を制御する制御装置とを備えている。
【００２２】
前述の制御装置は、第１パルスレーザ光のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料に照射されている間において、Ｔｐ−０.１５ｔｗ≦ｔｅ≦Ｔｐ＋０.１５ｔｗという条件を満たす時刻ｔｅにおいて、被照射物に照射されるように、第１レーザ照射機構および第２レーザ照射機構を制御する。この場合において、時刻ｔｅは、次のパラメータを用いて決定される。
【００２３】
ρ（ｋｇ／ｍ3）：被加熱材料の密度
Ｃ（J／ｋｇ・Ｋ）：被加熱材料の比熱
ｋ：被加熱材料に対する第２パルスレーザ光の消衰係数
ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）：被加熱材料からステージへの熱移動における熱透過率
λ（ｍ）：第２パルスレーザ光の波長
関数Ｐ（ｔ）（ｔ：時間）：第２パルスレーザ光の時間軸波形の形状
（結晶成長における）時定数ＴＬ：ＴＬ＝(３．０×１０-3)・ρ・Ｃ・λ／（４π・ｋ・ｈ）×Ｍ：（Ｍは定数）
Δｔ：任意の微小時間
Ｔｐ：Ｌ（ｔ）＝（Ｐ（ｔ）／ｈ）・｛１−ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）｝＋Ｌ（ｔ−Δｔ）・ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）という漸化式で表される評価関数Ｌ（ｔ）においてピークを与える時刻
ｔｗ（ｓ）：第２パルスレーザ光の時間軸波形の半値幅
上記の構成によっても、半導体結晶を良好に成長させることができるレーザ照射装置が得られる。
【００２４】
また、ステージが１以上の固体材料（熱伝導率λｉ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さｄｉ（ｍ）、ｉ≧１）を含み、レーザ照射装置が１以上の固体材料に流体を接触させることによりステージを冷却する冷却機構をさらに備えていてもよい。この場合、被加熱材料から１以上の固体材料へ熱が移動し、かつ、１以上の固体材料から流体への熱伝達率がｈｗ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）であれば、熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）が、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）＋（１／ｈｗ）｝という式によって表されることが望ましい。これによれば、レーザ照射装置を効率的に冷却することができる。
【００２５】
また、ステージが１以上の固体材料（熱伝導率λｉ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さｄｉ（ｍ）、ｉ≧１）を含み、レーザ照射装置が１以上の固体材料に水を接触させることによりステージを冷却する冷却機構をさらに備えていてもよい。この場合、被加熱材料から１以上の固体材料へ熱が移動し、かつ、１以上の固体材料の熱が水に伝達されるのであれば、熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）が、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）｝という式によって表されることが望ましい。これによれば、レーザ照射装置を効率的に冷却することができる。
【００２６】
また、第１パルスレーザ光は赤外線レーザであり、かつ、被加熱材料がシリコン原子を含む絶縁材料であってもよい。また、第２パルスレーザ光は炭酸ガスレーザであってもよい。また、被加熱材料に対する炭酸ガスレーザの消衰係数ｋが、４．６×１０-2であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態のレーザ照射装置が説明される。
実施の形態のレーザ照射装置の設計においては、被照射物からの放熱および被照射物に照射する炭酸ガスレーザパルスの形状を考慮して、炭酸ガスレーザの照射タイミングとエキシマレーザ光の照射タイミングとの関係が決定されている。なお、本実施の形態においては、エキシマレーザ光のパルス形状およびパルス幅等は限定されず、いかなるものであってよい。
【００２８】
本実施の形態のレーザ照射装置は、炭酸ガスレーザを基板に照射して基板の温度を上昇させた後に、基板にエキシマレーザを照射することによって半導体膜を溶融再結晶化する場合において、効果的なエキシマレーザの照射タイミングを規定するものである。そのため、エキシマレーザが所定のタイミングで基板へ照射さえすれば、エキシマレーザのパルスの形状がいかなるものであっても、共通の作用が生じる。また、エキシマレーザのパルス幅は炭酸ガスレーザと比較して極めて小さいため（数十ｎｓ）、エキシマレーザのパルス幅の大きさの相違は、結晶長に大きな影響を与えることはない。そのため、エキシマレーザのパルス幅の相違を無視しても、エキシマレーザを基板へ照射するタイミングが所定のタイミングに規定されていれば、所望の効果を得ることが可能である。
【００２９】
本実施の形態のレーザ照射装置によれば、半導体材料に吸収される波長を有する第１パルスレーザ（エキシマレーザ）が、被加熱材料に吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光（炭酸ガスレーザ）のピークから所定の遅延時間だけ遅延して、被照射物に照射される。その結果、巨大結晶が得られる。具体的には、第１パルスレーザ光の一例のエキシマレーザが、第２パルスレーザ光の一例の炭酸ガスレーザのパルスのピークから所定時間だけずれたタイミングで、被照射物に照射される。
【００３０】
上記の所定時間は、炭酸ガスレーザによる加熱に起因した被照射物の温度上昇のみを考慮することのみよって決定され得ない。より具体的には、上記の所定時間の決定のためには、エキシマレーザが被照射物に照射されるときの被照射物の温度上昇と結晶成長との関係を考慮することが必要である。前述の所定時間を決定することは非常に困難なことであるが、本実施の形態のレーザ照射装置においては、前述の関係を考慮して、所定時間が設定されている。
【００３１】
したがって、本実施の形態のレーザ照射装置によれば、どのようなパルス波形の炭酸ガスレーザを用いても、また、どのようなステージを用いても、半導体薄膜の結晶成長に最も適したタイミングでエキシマレーザを半導体材料に照射することができる。そのため、結晶長を確実に大きくすることができる。
【００３２】
次に、図１を用いて、本実施の形態のレーザ照射装置を説明する。
本実施の形態のレーザ照射装置１０は、図１に示されるように、被照射物としての基板６を保持し得るステージ５を備えている。基板６は、半導体材料６ａと被加熱材料６ｂとを含む。また、レーザ照射装置１０は、第１レーザ照射機構１および第２レーザ照射機構２を備えている。
【００３３】
第１レーザ照射機構１は、基板６を構成する半導体材料６ａに吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第１パルスレーザ光１０を基板１に照射する。なお、本実施の形態においては、第１パルスレーザ光１０は、エキシマレーザまたは赤外線レーザであるが、基板６を構成する半導体材料６ａに吸収される波長を有するパルスレーザ光であれば、他のパルスレーザ光であってもよい。
【００３４】
第２レーザ照射機構２は、レーザ照射機本体２ａ、および、反射器２ｂ，２ｃ，２ｄを備えている。また、第２レーザ照射機構２は、基板６を構成する被加熱材料６ｂに吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなす第２パルスレーザ光２０を基板６に照射することができる。より具体的には、第２パルスレーザ光２０は、レーザ照射機本体２ａから発射される。その後、第２パルスレーザ光２０は、反射器２ｂ，２ｃ，２ｄのそれぞれで反射される。さらに、第２パルスレーザ光２０は、ステージ５０上の基板６に照射される。なお、第２レーザパルス光２０は、本実施の形態においては、炭酸ガスレーザであるが、基板６を構成する被加熱材料６ｂに吸収される波長を有しかつその時間軸波形がピークを有する形状をなすパルスレーザ光であれば、他のパルスレーザ光であってもよい。
【００３５】
また、本実施の形態においては、ステージ５、第１レーザ照射機構１および第２レーザ照射機構２は、制御装置７によって制御される。したがって、制御装置７は、第１レーザ照射機構１および第２レーザ照射機構２のそれぞれの照射タイミングを制御することができる。
【００３６】
本実施の形態においては、制御装置７は、第１パルスレーザ光１０のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料６ｂに照射されている間において、Ｔｐ−０.１５ｔｗ≦ｔｅ≦Ｔｐ＋０.１５ｔｗという条件を満たす時刻ｔｅにおいて、基板６に照射されるように、第１レーザ照射機構１および第２レーザ照射機構２を制御する。
【００３７】
ここで、Ｔｐは、任意の微小時間がΔｔであるときに、Ｌ（ｔ）＝（Ｐ（ｔ）／ｈ）・｛１−ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）｝＋Ｌ（ｔ−Δｔ）・ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）という漸化式で表される評価関数Ｌ（ｔ）において、ピークを与える時刻である。第２パルスレーザ光２０の時間軸波形の半値幅がｔｗである。時間ＴＬは、ＴＬ＝(３．０×１０-3)・ρ・Ｃ・λ／（４π・ｋ・ｈ）×Ｍという式によって表わされる。
【００３８】
また、前述の式において用いられているパラメータは、次のようなものである。
ρ（ｋｇ／ｍ3）は、被加熱材料６ｂの密度である。Ｃ（J／ｋｇ・Ｋ）は、被加熱材料６ｂの比熱である。ｋは、被加熱材料６ｂに対する第２パルスレーザ光２０の消衰係数である。ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）は、被加熱材料６ｂからステージ５への熱移動における熱透過率である。λ（ｍ）は、第２パルスレーザ光２０の波長である。関数Ｐ（ｔ）（ｔ：時間）は、第２パルスレーザ光２０の時間軸波形を表現するためのものである。なお、本実施の形態においては、被加熱材料６ｂに対する炭酸ガスレーザの消衰係数ｋが、４．６×１０-2であるものとする。
【００３９】
また、ステージ５が１以上の固体材料（熱伝導率λｉ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さｄｉ（ｍ）、ｉ≧１）５ｉ（ｉ＝１，２，３，・・・，ｎ）を含んでおり、レーザ照射装置１０は１以上の固体材料５ｉに流体１０００を接触させることによりステージを冷却する冷却機構１００をさらに備えていてもよい。この場合、被加熱材料から１以上の固体材料へ熱が移動し、かつ、１以上の固体材料５ｉから流体への熱伝達率がｈｗである場合には、熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）は、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）＋（１／ｈｗ）｝という式によって表される。
【００４０】
また、冷却機構１００が１以上の固体材料５ｉに水を接触させる場合には、被加熱材料６ｂから１以上の固体材料５ｉへ熱が移動し、かつ、１以上の固体材料５ｉの熱が水に伝達される場合に、熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）は、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）｝という式によって表される。
【００４１】
まず、前述のような条件式の決定においては、基板１からステージ５への熱移動の系のモデルが考慮された。それにより、エキシマレーザの照射タイミングが定量的に決定された。
【００４２】
上記の条件式の算出のために、炭酸ガスレーザの照射による被加熱材料６ｂの温度上昇モデルは、次のように規定された（図２参照）。
【００４３】
Ｐ（Ｗ／ｍ2）：炭酸ガスレーザの被加熱材料６ｂに対する吸収パワー密度
ρ（ｋｇ／ｍ3）：被加熱材料６ｂの密度
Ｃ（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）：被加熱材料６ｂの比熱
ｄａ（ｍ）：被加熱材料６ｂの被加熱領域の深さ
θ（Ｋ）：被加熱材料における被加熱領域の温度とθeとの温度差
θe（Ｋ）：熱が基板６から流体１０００へ伝達された後の流体１００の温度
ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）：被加熱領域から流体１０００までの熱移動における熱透過率
ｄｔ：微小時間
前述のモデルを具現化した構成が図３に示されている。
【００４４】
このモデルにおいては、前述のような構成に対して被加熱材料にパワー密度Ｐの炭酸ガスレーザを照射するものとする。それによって、被加熱材料を加熱し、その温度を上昇させるものとする。その後、被加熱材料から外部へ熱を伝達によって放出させるものとする。
【００４５】
実際に炭酸ガスレーザを被加熱材料へ照射した場合、図２におけるｚ方向に所定の温度分布が生じることになる。しかしながら、このモデルにおいては、パワー密度Ｐの炭酸ガスレーザのエネルギが被加熱材料に均一に与えられものとする。そのため、主表面から所定の深さｄａまでの領域のみに炭酸ガスレーザが吸収されるものとする。その結果、その領域は均一温度になる。ここで、加熱深さｄａは、照射されるレーザが１／ｅまで減衰する深さ（＝吸収深さ）と定義した。
【００４６】
すなわち、パワー密度Ｐの炭酸ガスレーザが、主表面から深さｄａまでの部分に一様に吸収され、それにより、その部分の温度が所定温度（雰囲気温度との温度差θ）まで上昇した後、熱が外部へ放出されるというモデルが想定された。
【００４７】
以上のモデルに基づくと、熱収支は以下の式で記述される。
Ｐ（t）ｄｔ＝ρ・Ｃ・ｄａ・ｄθ＋ｈ・θｄｔ
この微分方程式を解くことにより、次の式（ａ）が得られる。（初期条件としてｔ＝０でθ＝θ０とした）
θ（ｔ）＝（θ０−Ｐ／ｈ）ｅｘｐ（−ｈｔ／ρ・Ｃ・ｄａ）＋Ｐ／ｈ
＝（Ｐ（ｔ）／ｈ）{１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）｝＋θ０・ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）・・・式（ａ）
時定数  Ｔ＝ρ・Ｃ・ｄａ／ｈ    ・・・式（ｂ）
微小時間Δｔが経過した後に、θがΔθだけ変化するものとして、これを式（ａ）に適用することにより、近似的な差分式として、次の式（１）が得られる。
【００４８】
θ（ｔ）＝（Ｐ（ｔ）／ｈ）｛１−ｅｘｐ（−Δｔ／Ｔ）｝＋θ（ｔ−Δｔ）・ｅｘｐ（−Δｔ／Ｔ）    ・・・（１）式
本来の差分式を記述した場合、ｄθ／ｄｔ＝｛θ(ｔ)−θ(ｔ−Δｔ）｝／Δｔのような差分近似が実行され、その結果、θ（ｔ）＝｛ρ・Ｃ・ｄａ・θ（ｔ−Δｔ）＋Ｐ・Δｔ｝／（ρ・Ｃ・ｄａ＋ｈ）    ・・・（２）
が得られる。しかしながら、本実施の形態においては、近似式として、式（１）が用いられている。
【００４９】
また、前述の時定数の式（ｂ）のｈの決定のために、図３に示されるように、熱が被加熱材料６ｂの被加熱領域の深さｄａの位置からステージ５まで熱透過率ｈで移動する１次元の熱伝導モデルが用いられる。
【００５０】
１次元の熱伝導モデルにおいては、次の規定が用いられる。
λ１（Ｗ／ｍ・Ｋ）：被加熱材料の熱伝導率
ｄ１（ｍ）：被加熱材料６ｂの厚さ
λ２（Ｗ／ｍ・Ｋ）：ステージ５の熱伝導率
ｄ２（ｍ）：ステージ５の厚さ
ｈｗ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）：ステージ５から流体１０００までの熱移動における熱伝達率
このとき、熱透過率ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）は、ｄａ≪ｄ１であれば、
ｈ≒１／｛（ｄ１／λ１）＋（ｄ２／λ２）＋（１／ｈｗ）｝・・・（３）
という式によって表される。
【００５１】
前述の事項から、ｎ層の積層構造における１次元の熱伝導モデルは、上述のように、ｈ＝１／｛Σ（ｄｉ／λｉ）＋（１／ｈｗ）｝という式によって表されることが理解される。
【００５２】
前述のモデルでは、被加熱領域の深さｄａは、吸収深さと定義される。
吸収深さｄａは、一般に、ｄａ＝１／α＝λ／（４π×ｋ）・・・（４）
と表わされる。
【００５３】
ここで、α：吸収係数（ｍ-1）、λ：入射レーザの波長（ｍ）、ｋ：消衰係数
エキシマレーザの照射タイミングと結晶成長との関係式は、次のように決定される。
【００５４】
本実施の形態においては、炭酸ガスレーザを基板６に照射することによって、式（１）によって示されるように温度が上昇している半導体薄膜に対して、エキシマレーザを照射する。これにより、半導体薄膜が、溶融し、結晶化する。
【００５５】
この方法によれば、エキシマレーザ１０が照射されるときには、図４に示されるように半導体薄膜の温度は炭酸ガスレーザ２０の照射によって既に高くなっている。そのため、半導体薄膜が、エキシマレーザ１０の照射の終了後に、溶融状態から凝固状態まで変化するために要する時間が長くなる。その結果、結晶成長のための時間を長くすることが可能になる。したがって、結晶長を大きくすることができる。
【００５６】
エキシマレーザを照射するタイミングｔｅと式（１）によって特定される温度のピークのタイミングｔｐｅａｋが一致すれば、半導体材料６ａの結晶長が最大になるわけではない。これは、炭酸ガスレーザを照射していることによる除冷効果があるためで、温度のピークのタイミングｔｐｅａｋよりも前のタイミングでエキシマレーザを基板へ照射することが望ましい。
【００５７】
前述の点を鑑みた上で、本願の発明者らは、様々なタイミングでエキシマレーザを照射し、結晶長を測定する実験を行った。この実験結果から、結晶長と照射タイミングの関係を示すグラフが作成された。それによれば、実験結果から作成された結晶長と照射タイミングとの関係を示すグラフは、θ（ｔ）の式によって特定される結晶長と照射タイミングとの関係を示すグラフとほぼ同様の形状である、ということが分かった。したがって、実験結果から作成された結晶長と照射タイミングとの関係を示す式は、θ（ｔ）の式と同様の式で表わされ、時定数Ｔのみが、θ（ｔ）の式と異なっている。
【００５８】
したがって、時定数をＴＬとし、Ｍを定数とすれば、ＴＬ＝Ｔ×Ｍという関係が成立し、上記結晶長と照射タイミングを示す関係式は、
Ｌ（ｔ）＝Ｐ（ｔ）／ｈ・（１−ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ））＋Ｌ（ｔ−Δｔ）・
ｅｘｐ（−Δｔ／ＴＬ）・・・（５）
と表される。
【００５９】
ＴＬ＝Ｔ×Ｍ
＝（ρ・Ｃ・ｄａ）／ｈ×Ｍ
＝（ρ・Ｃ・λ）／（４π・ｋ・ｈ）×Ｍ      ・・・（６）式
Ｌ（ｔ）：時刻ｔにおいてエキシマレーザを照射したときの結晶長
Ｐ（ｔ）：炭酸ガスレーザの被加熱材料６ｂに対する吸収パワー密度
上記の式（５）および（６）の妥当性が実験によって確認された。
【００６０】
この実験においては、図５に示されるように、被加熱材料６ｂは、シリコン、シリコン絶縁膜およびガラス基板の一体構造であると見なした。
【００６１】
炭酸ガスレーザ光のパルス幅が６００μｓであるときのパルス波形が図６に示されている。エキシマレーザ光の照射タイミングを変更しながら結晶長を測定する実験が行われた。得られた結晶長が図７にプロットされている。前述の式（５）式が、図７の実験結果により得られた結晶長分布を満たすように、定数Ｍの値が決定される。
【００６２】
ここで、ガラスの密度ρ＝２５１０（ｋｇ／ｍ3）、ガラスの比熱Ｃ＝８３７（J／ｋｇ・Ｋ）であり、熱透過率ｈ＝５８０（Ｗ／ｍ2・Ｋ）であり、炭酸ガスレーザの波長λ＝１０．６（μｍ）であり、ガラスに対する炭酸ガスレーザの消衰係数ｋ＝４．６×１０-2である。これらの値が式（５）に代入され、それにより、Ｍ＝３．０×１０-3が得られた。なお、このとき、ＴＬ＝２００μｓである。
【００６３】
このＭの値の妥当性が、透過率ｈおよび炭酸ガスレーザ光のパルス幅を変更しながら、複数回半導体材料の結晶長を測定する実験によって確認された。
【００６４】
図８には、炭酸ガスレーザのパルス幅を１５０μｓとした場合のパルス波形が示されている。
【００６５】
上記と同様に、エキシマレーザ光の照射タイミングを変更しながら、複数回半導体材料の結晶長を測定する実験が行われた。
【００６６】
図９には、実験によって測定された値と式（５）式を用いて算出された値とが示されている。
【００６７】
次に、チャックの厚さ、すなわち熱透過率ｈを変更した場合の影響を説明する。
熱透過率ｈは、チャックの厚さ、すなわち、ステージの厚さを変更することにより、変更される。炭酸ガスレーザのパルス幅を６００μｓおよび１５０μｓとして、前述と同様に、異なる照射タイミングでエキシマレーザを被照射物に照射し、それぞれの照射タイミングでの半導体材料の結晶長が測定された。
【００６８】
パルス幅が６００μｓであるときの実験によって測定された値と式（５）式を用いて算出された値とが図１０にプロットされている。また、パルス幅が１５０μｓであるときの式（５）の計算結果と結晶長の実験によって測定された値と式（５）式を用いて算出された値とが図１１にプロットされている。
【００６９】
図１０および図１１から、実験結果と式（５）による計算結果とがほぼ一致しており、式（５）による計算結果の妥当性が確認され得る。
【００７０】
なお、理論的には、炭酸ガスレーザのパルス波形データから、式(５）を用いて半導体の結晶長の評価関数であるＬ（ｔ）を作成し、Ｌ（ｔ）がピーク値になる（＝結晶長が最大となる）時刻において、エキシマレーザを基板へ照射することが最適であると考えられる。つまり、炭酸ガスレーザのパルス波形から、Ｌ（ｔ）を作成して、Ｌ（ｔ）が最大となる時刻ｔ（＝Ｔｐ）のタイミングでエキシマレーザを基板へ照射することが最も望ましい。ただし、本実施形態では、実用上の観点から、Ｌ（ｔ）のピーク値を中心として、所定の幅を有する範囲においてエキシマレーザ光の照射タイミングが規定される。具体的には、炭酸ガスレーザの波形を考慮した上で、Ｔｐ−０．１５ｔｗ≦ｔｅ≦Ｔｐ＋０．１５ｔｗという条件が成立する照射タイミングｔｅでエキシマレーザを基板へ照射すればよい。前述の条件が成立する照射タイミングでエキシマレーザを基板へ照射すれば、Ｌ（ｔ）ピーク値の９０％以上の結晶長が得られることが実験により確認されている。
【００７１】
しかしながら、パルス波形に応じて、その都度、Ｌ（ｔ）を作成し、照射タイミングを決定するという方法によれば、Ｌ（ｔ）の作成のために手間がかかるため、その方法は、必ずしも、実用的な使用に適しているとは言えない。よって、実用的な方法として、炭酸ガスレーザのパルス波形を基準として、エキシマレーザの照射タイミングを規定する、別の実施形態を以下に説明する。
【００７２】
この実施形態においては、レーザ照射装置の全体構成は、前述の実施形態と同様である。本実施の形態においては、制御装置７は、第１パルスレーザ光１０のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料６ｂに照射されている間において、Ｔ−０．１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０．３ｔｗによって規定される遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光２０のピークから遅延して、基板６に照射されるように、第１レーザ照射機構１および第２レーザ照射機構２を制御する。その結果、前述された実施形態と同様に、巨大結晶を成長させるという発明の目的を達成することが可能となる。
【００７３】
前述の条件式においては、ρ（ｋｇ／ｍ3）は、被加熱材料の密度である。Ｃ（J／ｋｇ・Ｋ）は、被加熱材料の比熱である。ｋは、被加熱材料に対する第２パルスレーザ光２０の消衰係数である。ｈ（Ｗ／ｍ2・Ｋ）は、被加熱材料からステージ５への熱移動における熱透過率である。λ（ｍ）は、第２パルスレーザ光２０の波長である。ｔｗは、第２パルスレーザ光２０の時間軸波形の半値幅である。
【００７４】
なお、実際の炭酸ガスレーザのパルス波形は、完全な矩形ではなく、パルス幅に応じて様々な形状である。具体的には、実際の炭酸ガスレーザ光のパルス波形は、パルス幅が６００μｓである場合には、図６に示されるような半値幅ｔｗの中心よりも前のタイミングに強度のピークを有する波形であり、パルス幅が１５０μｓである場合には、図８に示されるような、半値幅ｔｗの中心よりも後ろに強度のピークを有する波形である。
【００７５】
したがって、時間軸波形のピーク時刻ｔｐｋが、時間軸波形の半値幅ｔｗにおける中心の時刻ｔｃよりも後であるか、または前であるかによって、エキシマレーザ光の照射タイミングを異ならせることが必要になる。
【００７６】
より具体的には、時間軸波形の半値幅ｔｗにおける中心の時刻がｔｃであり、時間軸波形のピーク時刻が、ｔｐｋであると仮定される。
【００７７】
制御装置７は、ｔｐｋ≧ｔｃである場合には、第１パルスレーザ光１０のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料６ｂに照射されている間において、０≦ｔｄ≦０.３ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光２０のピークから遅延して、基板６に照射されるように、第１レーザ照射機構１および第２レーザ光照射機構２を制御する。
【００７８】
一方、制御装置７は、ｔｐｋ≦ｔｃである場合には、第１パルスレーザ光１０のピークが、第２パルスレーザ光が被加熱材料６ｂに照射されている間において、Ｔ−０.１５ｔｗ≦ｔｄ≦Ｔ＋０.１５ｔｗという条件を満たす遅延時間ｔｄだけ、第２パルスレーザ光２０のピークから遅延して、基板６に照射されるように、第１レーザ照射機構１０および第２レーザ照射機構２０を制御する。
【００７９】
本実施の形態のレーザ照射装置においては、図１２に示されるように、まず、ステップ１において、前述のρ、Ｃ、ｋ、ｈ、λ、およびｔｗなどのパラメータが制御装置７に入力される。次に、ステップ２およびステップ３において、制御装置７は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶領域に内蔵された前述の式を用いて、Ｔおよびｔｄを算出する。その後、ユーザがレーザ照射装置１０の駆動スイッチを押すと、ステップ４において、制御装置７は、第２レーザ照射機構２に第２パルスレーザ光２０を基板６に照射させる。また、ステップ４において、制御装置７は、第２レーザ照射機構２が第２パルスレーザ光を基板６に照射してから遅延時間ｔｄだけ経過した時点で、第１レーザ照射機構１に第１パルスレーザ光を基板６に照射させる。
【００８０】
なお、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】
【００８１】
【図１】実施の形態のレーザ照射装置の構成を説明するための図である。
【図２】式の算出のために用いられる図である。
【図３】熱透過率を算出するための計算の説明に使用される図である。
【図４】レーザのパルス波形、被加熱材料の温度、および半導体材料の結晶長の関係を示す図である。
【図５】基板とステージとの具体的構成の一例を示す図である。
【図６】パルス幅が６００μｓの炭酸ガスレーザの波形の一例を示す図である。
【図７】パルス幅が６００μｓの炭酸ガスレーザが基板に照射される場合の、計算式によって算出された結晶長と実験において測定された結晶長との関係を示す図である。
【図８】パルス幅が１５０μｓの炭酸ガスレーザの波形の一例を示す図である。
【図９】パルス幅が１５０μｓの炭酸ガスレーザが基板に照射される場合の、計算式によって算出された結晶長と実験において測定された結晶長との関係を示す図である。
【図１０】図７の結果を得るための実験におけるチャック条件とは異なるチャック条件で、パルス幅が６００μｓの炭酸ガスレーザが基板に照射される場合の、計算式によって算出された結晶長と実験において測定された結晶長との関係を示す図である。
【図１１】図９の結果を得るための実験におけるチャック条件とは異なるチャック条件で、パルス幅が１５０μｓの炭酸ガスレーザが基板に照射される場合の、計算式によって算出された結晶長と実験において測定された結晶長との関係を示す図である。
【図１２】レーザ照射装置の制御装置が行う制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１  第１レーザ照射機構、２  第２レーザ照射機構、２ａ  レーザ照射機構本体、２ｂ，２ｃ，２ｄ  反射器、５  ステージ、６  基板、７  制御装置、１０  第２パルスレーザ光、２０  第２パルスレーザ光、１００  冷却機構、１０００  流体。
【図１】
2009044007.tif 000003
【図２】
2009044007.tif 000004
【図３】
2009044007.tif 000005
【図４】
2009044007.tif 000006
【図５】
2009044007.tif 000007
【図６】
2009044007.tif 000008
【図７】
2009044007.tif 000009
【図８】
2009044007.tif 000010
【図９】
2009044007.tif 000011
【図１０】
2009044007.tif 000012
【図１１】
2009044007.tif 000013
【図１２】
2009044007.tif 000014