(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオン状態からオフ状態に変化させた時に出力されるパルスレーザビームを、アモルファス状態の対象部材に入射させ、照射された部分を結晶化させて種結晶を形成する工程と、
（ｂ）前記Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオフ状態にした状態で出力される連続波レーザビームを、前記対象部材の、前記種結晶の形成された位置に入射させ、該連続波レーザビームの入射位置を、前記種結晶から遠ざかる方向に移動させることにより前記種結晶を成長させる工程と
を有する結晶成長方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）において、Ｑスイッチのオンオフを繰り返しながら、複数ショットのパルスレーザビームを前記対象物に入射させるとともに、該パルスレーザビームの入射位置を、前記対象部材の表面の線状の領域に沿って移動させ、該線状の領域に種結晶を形成する工程を含み、
前記工程（ｂ）が、
前記連続波レーザビームの断面形状を線状に整形する工程と、
線状に整形された前記連続波レーザビームを、前記種結晶の形成された線状領域に入射させ、入射位置を、該線状領域の長手方向と交差する方向に移動させながら前記種結晶を成長させる工程と
を含む請求項１に記載の結晶成長方法。
【請求項３】
前記工程（ａ）において、前記対象部材の表面において、複数ショットの前記パルスレーザビームのビームスポットが相互に重なるように、該パルスレーザビームの入射位置を移動させる請求項２に記載の結晶成長方法。
【請求項４】
前記対象部材が、下地基板の表面上に形成されたアモルファス状態の薄膜であり、
前記工程（ａ）において、前記パルスレーザビームの入射位置に、該パルスレーザビームのエネルギによって、前記薄膜を貫通して前記下地基板まで到達する凹部を形成し、該凹部の側面に露出した部分を結晶化させて種結晶を形成する請求項１〜３のいずれかに記載の結晶成長方法。
【請求項５】
Ｑスイッチをオン状態からオフ状態に切り換えたときにパルスレーザビームを出力し、該Ｑスイッチをオン状態に維持しておくと、該パルスレーザビームのピークパワーよりも低いパワーの連続波レーザビームを出力するＱスイッチレーザ発振器と、
対象部材を保持するステージと、
前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビームの断面形状が、前記ステージに保持された対象部材の表面において線状になるように整形する整形光学系と、
前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビームを、前記ステージに保持された対象部材の表面上に、スポット状に集光させる集光光学系と、
前記Ｑスイッチレーザ発振器からパルスレーザビームが出力されるときに、該パルスレーザビームを、前記集光光学系を経由して対象部材上に入射させ、前記Ｑスイッチレーザ発振器から連続波レーザビームが出力されるときに、該連続波レーザビームを、前記整形光学系を経由して対象部材上に入射させる切換手段と、
前記整形光学系及び前記集光光学系を経由したレーザビームの、前記テーブルに保持された対象部材の表面への入射位置を移動させる移動機構と
を有するレーザアニール装置。
【請求項６】
前記切換手段が、前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビームの光路内に移動してレーザビームを反射させる移動ミラーを有し、該移動ミラーが前記レーザビームの光路から外れた位置に待避されている状態では、前記レーザビームが、前記整形光学系及び前記集光光学系の一方の光学系に入射し、前記移動ミラーが前記レーザビームの光路内に配置されている状態では、前記レーザビームが他方の光学系に入射する請求項５に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶成長方法及びレーザアニール装置に関し、特にアモルファス状態の対象部材にレーザビームを照射して結晶化させる結晶成長方法及びそれに用いられるレーザアニール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜に、ＸｅＣｌ等のエキシマレーザを照射して、多結晶化させる技術が知られている。エキシマレーザを用いることにより、高ピークパワーかつ大出力のパルスレーザビームを得ることができる。この高ピークパワーのパルスレーザビームをアモルファスシリコン膜上に集光させることにより、集光位置のアモルファスシリコン膜が溶融し、固化することにより、種結晶が形成される。集光位置を移動させることによって、種結晶を成長させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
エキシマレーザ発振器から出力されるレーザビームはパルス状であるため、得られる種結晶の大きさが高々１μｍ程度である。このため、エキシマレーザ照射によって多結晶化されたシリコンの電子移動度は、単結晶シリコンの電子移動度よりも小さい。
【０００４】
また、レーザ媒質としてガスを用いるエキシマレーザは、固体レーザに比べて出力が不安定である。パルスエネルギのばらつきの標準偏差が約１％程度であり、均一度の高い多結晶シリコン膜を作製することが困難である。
【０００５】
一方、アモルファスシリコン膜中に種結晶を形成しておき、連続波レーザビーム（ＣＷレーザビーム）を照射しながらレーザビームの入射位置を移動させることにより、種結晶を成長させることもできる。この方法により、結晶粒径が１０μｍ程度の多結晶シリコン膜を作製することができるとの報告がある。この方法では、アモルファスシリコン膜に、予め種結晶を形成しておく必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、一つのレーザ光源を用いて、種結晶の形成と成長とを行うことが可能な結晶成長方法を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、上記結晶成長方法に適用することが可能なレーザアニール装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、（ａ）Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオン状態からオフ状態に変化させた時に出力されるパルスレーザビームを、アモルファス状態の対象部材に入射させ、照射された部分を結晶化させて種結晶を形成する工程と、（ｂ）前記Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオフ状態にした状態で出力される連続波レーザビームを、前記対象部材の、前記種結晶の形成された位置に入射させ、該連続波レーザビームの入射位置を、前記種結晶から遠ざかる方向に移動させることにより前記種結晶を成長させる工程とを有する結晶成長方法が提供される。
【０００９】
Ｑスイッチレーザ発振器から出力されるパルスレーザビームは、高いピークパワーを有するため、アモルファス材料を溶融させ、大きな種結晶を形成することができる。連続波レーザビームのパワーは、パルスレーザビームのピークパワーに比べて小さいが、すでに種結晶が形成されているため、種結晶を成長させることができる。
【００１０】
本発明の他の観点によると、Ｑスイッチをオン状態からオフ状態に切り換えたときにパルスレーザビームを出力し、該Ｑスイッチをオン状態に維持しておくと、該パルスレーザビームのピークパワーよりも低いパワーの連続波レーザビームを出力するＱスイッチレーザ発振器と、対象部材を保持するステージと、前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビームの断面形状が、前記ステージに保持された対象部材の表面において線状になるように整形する整形光学系と、前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビームを、前記ステージに保持された対象部材の表面上に、スポット状に集光させる集光光学系と、前記Ｑスイッチレーザ発振器からパルスレーザビームが出力されるときに、該パルスレーザビームを、前記集光光学系を経由して対象部材上に入射させ、前記Ｑスイッチレーザ発振器から連続波レーザビームが出力されるときに、該連続波レーザビームを、前記整形光学系を経由して対象部材上に入射させる切換手段と、前記整形光学系及び前記集光光学系を経由したレーザビームの、前記テーブルに保持された対象部材の表面への入射位置を移動させる移動機構とを有するレーザアニール装置が提供される。
【００１１】
高いピークパワーを有するパルスレーザビームを、アモルファス材料の表面に集光させることにより、アモルファス材料を溶融させ、結晶化させることができる。低いパワーの連続波レーザビームを用いて、種結晶を成長させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。Ｑスイッチレーザ発振器１２が、レーザビームを出射する。Ｑスイッチレーザ発振器１２は、全反射ミラー１２ａ、部分透過ミラー１２ｂ、レーザ媒質１２ｃ、Ｑスイッチ１２ｄ、波長変換素子１２ｅ、及び励起光源１２ｆを含んで構成される。
【００１３】
全反射ミラー１２ａと部分透過ミラー１２ｂとが、光共振器を構成している。レーザ媒質１２ｃ、Ｑスイッチ１２ｄ、及び波長変換素子１２ｅは、光共振器内の光路上に配置されている。レーザ媒質１２ｃとして、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、またはＮｄ：ＹＶＯ4等が用いられる。波長変換素子１２ｅは、レーザ媒質１２ｃからの誘導放出光の波長を変換し、その２倍高調波を生成する。
【００１４】
Ｑスイッチ１２ｄがオン状態のとき、光共振器の品質因子Ｑが低い値に保たれ、レーザ発振することなくレーザ媒質１２ｃが高い利得状態まで励起される。Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態にすると、光共振器の品質因子Ｑが高くなり、レーザ発振の急激な立ち上がりが生ずる。これにより、高ピークパワーのパルスレーザビームが出力される。Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態に維持しておくと、パルスレーザビームのピークパワーよりも低いパワーの連続波（ＣＷ）レーザビームが出力される。
【００１５】
レーザ媒質１２ｃとしてＮｄ：ＹＡＧを用いる場合、出力される２倍高調波の波長は５３２ｎｍになる。なお、波長変換素子１２ｅを光共振器の外に配置してもよい。また、３倍以上の高調波を生成する構成としてもよい。
【００１６】
Ｑスイッチレーザ発振器１２から出力されたレーザビームは、アッテネータ１３を経由してビームエキスパンダ１６に入射し、ビーム径が拡げられる。ビーム径の拡がったレーザビームは、空間的可干渉性解消素子１７で可干渉性を緩和され、ビームホモジナイザ（整形光学系）１８で均一な強度分布を有するビームに変換される。空間的可干渉性解消素子１７及びビームホモジナイザ１８の構成については、後に詳しく説明する。
【００１７】
ビームホモジナイザ１８から出射したレーザビームは、折返しミラー４０で下方に反射され、マスク４１に形成されているスリットに入射する。ビームホモジナイザ１８は、マスク４１の配置された位置におけるビーム断面が、マスク４１のスリットに整合した直線状になるようにレーザビームを整形する。
【００１８】
マスク４１のスリットを透過したレーザビームが、集束レンズ４２で集束され、ガスカーテン装置２０の入射窓２２に入射する。ガスカーテン装置２０は、入射窓２２とガス導入口２３とを有する上板２４、及びその周辺部下面に接続された側壁部材２５で半密閉空間を画定する。側壁部材２５の下部にはガス回収口２６が設けられている。なお、ガス雰囲気形成機構はガスカーテンだけに限定されない。例えば、ガス交換が可能な真空チェンバでも良い。
【００１９】
ステージ３０が、ステッピングモータ等の駆動手段を備えたＸステージ３３、Ｙステージ３２、及び定盤３１を含んで構成されている。Ｙステージ３２は、Ｘステージ３３上に取り付けられており、Ｙステージ３２の上に定盤３１が設置されている。定盤３１の上に、アモルファスシリコン膜を形成したガラス基板等の加工対象物１９が載置される。Ｘステージ３３及びＹステージ３２を動作させることにより、定盤３１を２次元方向に移動させることができる。なお、Ｘステージ３３とＹステージ３２との上下の順序は逆でも良い。
【００２０】
ガスカーテン装置２０は、定盤３１の上方に、加工対象物１９から所定距離隔てて配置される。ガス導入口２３から不活性ガスを導入すると、上板２４、側壁部材２５、及び定盤３１上に載置された加工対象物１９で画定される加工空間内が不活性ガスで充填され、外気から遮断される。
【００２１】
入射窓２２を通して加工空間内に入射したレーザビームが、定盤３１の上に載置された加工対象物１９に入射する。集束レンズ４２は、マスク４１のスリットを、加工対象物１９の表面上に結像させる。加工対象物１９のアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射すると、アモルファスシリコン膜がレーザビームによって溶融し、不活性ガス雰囲気内で固化（結晶化）する。
【００２２】
コンピュータ等で構成された制御装置３５が、タイミング制御装置３６を介してＱスイッチレーザ発振器１２に、Ｑスイッチ１２ｄのタイミング信号を送信する。また、制御装置３５は、ステージコントローラ３９を介してＸステージ３３及びＹステージ３２を所望速度で移動させることができる。
【００２３】
駆動機構５５が、アッテネータ１３とビームエキスパンダ１６との間のレーザビームの光路内に、全反射ミラー５１を移動させる。全反射ミラー５１がレーザビームの光路内に配置されると、レーザビームが反射され、折返しミラー５２に入射する。この状態では、レーザビームがビームエキスパンダ１６に入射しない。
【００２４】
折返しミラー５２で反射されたレーザビームが、集束レンズ５３で集束され、全反射ミラー５４に入射する。駆動機構５４が、マスク４１と集束レンズ４２との間のレーザビームの光路内に、全反射ミラー５４を移動させる。
【００２５】
全反射ミラー５４がレーザビームの光路内に配置されている状態では、集束レンズ５３で集束されたレーザビームが、全反射ミラー５４で反射され、集束レンズ４２に入射する。集束レンズ４２に入射したレーザビームは、マスク４１を通過したレーザビームと同様に、加工対象物１９に入射する。集束レンズ５３及び４２は、加工対象物１９の表面上でレーザビームのスポットサイズが最小になるような構成とされている。すなわち、集束レンズ５３と４２とが、加工対象物１９の表面上に焦点を結ばせる集光光学系を構成する。
【００２６】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に、空間的可干渉性解消素子１７及びホモジナイザ１８の構成例を示す。光軸をＺ方向とした場合、図２（Ａ）は、たとえばＸ方向から見た側面図であり、図２（Ｂ）はＹ方向から見た側面図である。
【００２７】
空間的可干渉性解消素子１７は、Ｚ方向の長さが異なる光学材料の板をＹ方向に積層した素子１７ｂと、Ｘ方向に積層した素子１７ａとを組み合わせた構成を有する。ビーム断面内の位置によって、実効的な光路長に差が生じ、空間的可干渉性が低減する。互いに隣接する領域で光路長が徐々に変化する構成を図示したが，光路差の設定は任意である。たとえば、ランダムな光路差を設定してもよい。
【００２８】
なお、ビーム断面内を複数の領域に分割でき、各領域に異なる光路差を生じさせる構成であれば図示の構成に限らない。たとえば、ファイババンドルのような構成であれば、２つの素子を必要とせず、単一の素子で同様の効果を発揮することができる。
【００２９】
ホモジナイザ１８は、たとえば、Ｘ方向シリンドリカルレンズ１８ａをＹ方向に並べ、Ｙ方向に並んだ複数の光束を形成し、他のＸ方向シリンドリカルレンズ１８ｂで各光束を再分布させる。同様に、Ｙ方向シリンドリカルレンズ１８ｃをＸ方向に並べ、Ｘ方向に並んだ複数の光束を形成し、他のＹ方向シリンドリカルレンズ１８ｄで各光束を再分布させる。図の構成では、レンズ１８ｐ、１８ｑで各光束を共通の仮想平面（ホモジナイズ面）上にホモジナイズさせている。ホモジナイズした領域は、Ｙ方向に長い線状の形状を有する。
【００３０】
このようにして、照射領域内で一定の強度を有する長尺ビームを形成している。このホモジナイズ面に、図１に示したマスク４１が配置されている。マスク４１のスリットが、アモルファスシリコン膜を堆積した加工対象物１９上に結像されるため、アモルファスシリコン膜上において、レーザビームの照射領域内の強度がほぼ均一になる。
【００３１】
次に、図３を参照して、実施例による結晶成長方法について説明する。なお、必要に応じて、図１が参照される。
【００３２】
図３（Ａ）に示すように、加工対象物１９は、長方形のガラス基板１９ａの上にアモルファスシリコン膜１９ｂが堆積された積層構造を有する。ガラス基板１９ａの１つの辺に平行な方向をｘ軸とし、その辺と隣り合う辺に平行な方向をｙ軸とする。図１に示したＱスイッチレーザ発振器１２のＱスイッチ１２ｄをオン状態にしておき、移動ミラー５１及び５４を、レーザビームの光路内に配置する。
【００３３】
Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態にし、高ピークパワーのパルスレーザビームを出射させる。このパルスレーザビーム６０は、集束レンズ５３及び４２を通過して、加工対象物１９の表面上に入射する。第１回目の照射では、パルスレーザビーム６０を、アモルファスシリコン膜１９ｂの頂点近傍に入射させる。
【００３４】
Ｑスイッチ１２ｄのオンオフを繰り返すことにより、複数ショットのパルスレーザビーム６０を出力させるとともに、Ｙステージ３２を移動させて、パルスレーザビーム６０のビームスポットをアモルファスシリコン膜１９ｂの一つの辺に沿って移動させる。
【００３５】
図３（Ｂ）に、ビームスポット６１の移動の様子を示す。あるショットのビームスポットが、前回のショットのビームスポットと部分的に重なるように、ビームスポット６１が移動している。ビームスポット６１のサイズは、１０〜３００μｍである。
【００３６】
高ピークパワーを有するパルスレーザビーム６０を照射することにより、加工対象物１９に、アモルファスシリコン膜１９ｂを貫通してガラス基板１９ａまで達する凹部が形成される。ビームスポット６１を移動させることにより、加工対象物１９の縁に、段差６２が形成される。アモルファスシリコン膜１９ｂのうち、段差６２の極近傍の領域は、一旦溶融し、その後固化する。このため、段差６２の側面に露出した部分が結晶化され、段差６２に沿った領域に種結晶６３が形成される。
【００３７】
種結晶６３を形成した後、移動ミラー５１及び５４を、レーザビームの光路から外れた位置に待避させる。Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態に維持し、低パワーの連続波レーザビームを出力させる。連続波レーザビームは、ホモジナイザ１８により長尺化されて加工対象物１９に入射する。
【００３８】
図３（Ｃ）に、長尺化されたレーザビームの照射領域６５を示す。照射領域６５の長手方向がｙ軸と平行になり、種結晶６３の形成された領域に入射する。Ｘステージ３３を動作させることにより、照射領域６５をｘ軸方向に移動させる。照射領域６５のアモルファスシリコンが溶融し、固化することにより、結晶がｘ軸方向に成長する。これにより、ｘ軸方向に長い単結晶領域、例えばｙ軸方向の幅が５μｍ、ｘ軸方向の長さが２０μｍ程度の単結晶領域を形成することができる。
上記実施例による方法では、１つのＱスイッチレーザ発振器１２を使用することにより、種結晶の形成と結晶成長とを行うことができる。
【００３９】
上記実施例では、アモルファスシリコンを多結晶化させる場合を説明したが、他のアモルファス半導体やアモルファス材料を多結晶化させることも可能である。また、上記実施例では、加工対象物に段差を形成する場合を説明したが、必ずしも段差を形成する必要はない。加工対象物の表面におけるパルスレーザビームのエネルギ密度を、加工対象物に凹部は形成されないが、アモルファス材料が溶融する程度の大きさとしてもよい。また、上記実施例では、加工対象物の縁に沿った領域に種結晶を形成したが、その他の領域に種結晶を形成することも可能である。
【００４０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｑスイッチレーザ発振器から出力される高ピークパワーのパルスレーザビームの照射により、アモルファス材料の一部が結晶化され、低パワーの連続波レーザビームの照射により種結晶が成長する。このため、１台のレーザ光源を用いて、種結晶の形成と結晶成長との両方を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例によるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】  本発明の実施例によるレーザアニール装置に用いられている空間的可干渉性解消素子及びビームホモジナイザの側面図及び平面図である。
【図３】  本発明の実施例による結晶成長方法を説明するための加工対象物の斜視図、及びレーザビームの照射領域の移動の様子を説明するための加工対象物の平面図である。
【符号の説明】
１２  Ｑスイッチレーザ発振器
１３  アッテネータ
１６  ビームエキスパンダ
１７  空間的可干渉性解消素子
１８  ビームホモジナイザ
１９  加工対象物
２０  ガスカーテン装置
２２  入射窓
２３  ガス導入口
２４  上板
２５  側壁部材
２６  ガス回収口
３０  ステージ
３１  定盤
３２  Ｙステージ
３３  Ｘステージ
３５  制御装置
３６  タイミング制御装置
３９  ステージコントローラ
４０、５２  折返しミラー
４１  マスク
４２、５３  集束レンズ
５１、５４  移動ミラー
６０  パルスレーザビーム
６１  ビームスポット
６２  段差
６３  種結晶
６５  長尺レーザビーム照射領域
【図１】
0003847172.tif 000002
【図２】
0003847172.tif 000003
【図３】
0003847172.tif 000004