JP2001223175A - レーザアニール装置およびレーザアニール方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン薄膜における結晶化深度の拡大を図
ると共に結晶粒の増大を図る。 【解決手段】 パルスレーザ発振器２２からのレーザ光
パルス２４をビーム成形光学回路系２６で形状と強度を
調節してシリコン薄膜の試料４２に照射する際に、マイ
クロ波導波管３０内のマイクロ波３１をアンテナ３６を
用いて電場軸が試料４２の表面に対して垂直となるよう
試料４２に作用させる。レーザ光パルス２４の照射によ
り溶融したシリコンは、マイクロ波３１の交番電界の作
用により導電性電極として働き、溶融シリコン下部の非
溶融シリコン原子に振動を与える。溶融過程のシリコン
に対しては深部に亘ってシリコンの溶融を進行させ、凝
固過程のシリコンに対しては試料４２表面に垂直な方向
への揺動が反映することにより（１１１）結晶配向性を
強く促進させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザアニール装
置およびレーザアニール方法に関し、詳しくは、レーザ
を照射して半導体試料を改質するレーザアニール装置お
よびレーザアニール方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のレーザアニール装置とし
ては、エキシマレーザやＹＡＧレーザなどのパルスビー
ムを照射してａ−シリコン薄膜を結晶化したり、μｃ−
シリコン薄膜の再結晶化するものが提案されている。こ
のレーザアニール装置では、レーザによってシリコン薄
膜を溶融状態に至るまで高温に加熱し、その後に冷却・
凝固することにより、冷却・凝固する際にシリコン薄膜
内に結晶核を発生させ、この結晶核を成長させることに
より結晶化する。この結晶化や再結晶化の結果、ポリシ
リコン薄膜や単結晶シリコン薄膜を得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
たレーザアニール装置では、結晶化する領域が深さ０．
１μｍ程度に限られるという問題があった。エキシマレ
ーザアニール照射では、ビームのエネルギがシリコンの
表面０．１μｍ程度の厚さでほとんど吸収されてしまう
ために、結晶化する領域がこれに対応して深さ０．１μ
ｍ程度に限られてしまう。このため、０．１μｍ以上の
厚さが要求されるシリコン薄膜、例えば太陽電池を目的
とするシリコン薄膜に対してはレーザアニールによる結
晶化は適用できない。

【０００４】また、加熱過程の時間と冷却過程の時間と
が極短時間であるために、シリコン原子の移動が制限さ
れ、粒界移動による結晶粒成形が生じ難くなり、結晶粒
径の増加が容易に起こらないという問題もあった。エキ
シマレーザを用いた場合、薄膜の加熱過程はパルス幅に
相当する時間で数１０ｎｓであり、冷却過程は熱の基板
への放散によるモノであるが加熱過程と同様に数１０ｎ
ｓであるため、極短時間に加熱と冷却とが進行する。こ
の時間でも、シリコン薄膜全体を結晶化することは可能
であるが、溶融および冷却が高速に進行するためにシリ
コン原子の移動が制限されてしまう。

【０００５】更に、結晶配向性を制御できないという問
題もあった。結晶配向性は、溶融シリコンの凝固時にお
ける凝固核の表面エネルギが駆動力となって決定される
からである。

【０００６】本発明のレーザアニール装置およびレーザ
アニール方法は、シリコン薄膜における溶融・凝固およ
び結晶化過程を制御すると共に結晶化深度の拡大を図る
ことを目的の一つとする。また、本発明のレーザアニー
ル装置およびレーザアニール方法は、結晶粒度分布を制
御すると共に結晶粒の増大を図ることを目的の一つとす
る。さらに、本発明のレーザアニール装置およびレーザ
アニール方法は、結晶配向性を制御することを目的の一
つとする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明のレーザアニール装置およびレーザアニール方法
は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下
の手段を採った。

【０００８】本発明のレーザアニール装置は、レーザを
照射して半導体試料を改質するレーザアニール装置であ
って、前記半導体試料に前記レーザの照射と共に所定の
方向のマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段を備え
ることを要旨とする。

【０００９】この本発明のレーザアニール装置では、マ
イクロ波照射手段が、レーザの照射と共に所定の方向の
マイクロ波を半導体試料に照射する。シリコン薄膜のレ
ーザアニールにおけるシリコンの溶融・凝固の過程はｎ
ｓオーダーの時間スケールで進む現象である。この溶融
時にシリコン原子に揺動を与えることができれば、結晶
化過程を制御することができる。マイクロ波はｎｓオー
ダーの周期を有するから、レーザの照射と共にシリコン
薄膜に照射すれば、溶融状態にあるシリコン原子を揺動
を与えることができる。即ち、レーザの照射と共にマイ
クロ波を照射することにより半導体試料の結晶化過程を
制御することができるのである。

【００１０】こうした本発明のレーザアニール装置にお
いて、前記所定の方向は、前記マイクロ波の電場軸が前
記半導体試料の表面に垂直に入射する方向であるものと
することもできる。レーザの照射によりシリコンが溶融
しつつ過程や冷却によりシリコンが凝固しつつある過程
において、表面に存在する溶融シリコンの導電性電極と
しての働きを介して試料表面に垂直に印加されたマイク
ロ波の交番電界が溶融シリコンの下部に存在する非溶融
シリコン原子の、特に不対電子を持つボンドに対して電
子分布への振動を与える。この振動は、溶融しつつある
シリコンに対しては深部に亘ってシリコンの溶融を進行
させ、凝固しつつあるシリコンに対しては試料表面に垂
直な方向への揺動が反映して結晶化後のシリコン粒内の
ボンドがその方向へ向いた（１１１）結晶配向性を強く
促進させる。即ち、結晶化の深化を図ることができると
共に結晶配向性の制御を行なうことができるのである。
この態様の本発明のレーザアニール装置において、前記
マイクロ波照射手段は、前記レーザの入射孔と前記半導
体試料の近傍に配置された前記レーザの出射孔とを前記
マイクロ波定在波の電界成分の極大部近傍に形成してな
る導波管と、該導波管の前記出射孔近傍を貫通し前記半
導体試料に近接するよう配置され該導波管内の電界を該
半導体試料に放射するアンテナとを備えるものとするこ
ともできる。

【００１１】また、本発明のレーザアニール装置におい
て、前記所定の方向は、前記マイクロ波の磁場軸が前記
半導体試料の表面に垂直に入射する方向であるものとす
ることもできる。マイクロ波の交番磁界を溶融シリコン
に与えると、溶融シリコン中の磁界変化により誘導電流
が生じる。この誘導電流は溶融シリコン内での電荷移動
であるから、この電荷移動に伴ってシリコン原子移動が
活発化する。この結果、凝固時に形成される結晶粒界へ
シリコン原子が供給されるため、粒界での未結合手の低
減が可能となり、粒径を増大させることができる。この
態様の本発明のレーザアニール装置において、前記マイ
クロ波照射手段は、前記レーザの入射孔と前記半導体試
料の近傍に配置された前記レーザの出射孔とを前記マイ
クロ波定在波の磁界成分の極大部近傍に形成してなる導
波管と、該導波管の前記出射孔近傍を貫通し前記半導体
試料に近接するよう配置され該導波管内の磁界を該半導
体試料に放射するアンテナとを備えるものとすることも
できる。

【００１２】さらに、本発明のレーザアニール装置にお
いて、前記所定の方向は、前記マイクロ波の電場軸と磁
場軸とが共に前記半導体試料の表面に対して平行になる
方向であるものとすることもできる。こうすれば、マイ
クロ波による交番磁界は試料表面と平行方向に形成され
るが溶融シリコンにはこれと垂直方向に交番電界が誘起
される。この結果、溶融シリコン内でシリコン原子の移
動が活性化され、凝固時に形成される結晶粒界へシリコ
ン原子が供給されるために、粒界での未結合手の低減が
可能となり、粒径を増大させることができる。この態様
の本発明のレーザアニール装置において、前記マイクロ
波照射手段は、前記レーザの入射孔と前記半導体試料の
近傍に配置され該入射孔に対して所定の角度を有し前記
レーザを透過すると共に前記マイクロ波を前記半導体試
料に照射する出射孔とを形成してなる導波管を備えるも
のとすることもできる。

【００１３】本発明のレーザアニール方法は、レーザを
照射して半導体試料を改質するレーザアニール方法であ
って、前記レーザの照射と共に所定の方向のマイクロ波
を照射して前記半導体試料の改質を行なうことを要旨と
する。

【００１４】この本発明のレーザアニール方法では、レ
ーザの照射と共に所定の方向のマイクロ波を半導体試料
に照射することにより、半導体試料の結晶化過程を制御
することができるのである。シリコン薄膜のレーザアニ
ールにおけるシリコンの溶融・凝固の過程はｎｓオーダ
ーの時間スケールであり、この溶融時にマイクロ波を照
射することによりｎｓオーダーの揺動をシリコン原子に
与えることにより、溶融シリコンの結晶化過程を制御す
るのである。

【００１５】こうした本発明のレーザアニール方法にお
いて、前記所定の方向は、前記マイクロ波の電場軸が前
記半導体試料の表面に垂直に入射する方向であるものと
することもできる。こうすれば、試料表面に垂直に印加
されたマイクロ波の交番電界が溶融シリコンの下部に存
在する非溶融シリコン原子の、特に不対電子を持つボン
ドに対して電子分布への振動を与えるから、溶融しつつ
あるシリコンに対しては深部に亘ってシリコンの溶融を
進行させ、凝固しつつあるシリコンに対しては試料表面
に垂直な方向への揺動が反映して結晶化後のシリコン粒
内のボンドがその方向へ向いた（１１１）結晶配向性を
強く促進させることができる。

【００１６】また、本発明のレーザアニール方法におい
て、前記所定の方向は、前記マイクロ波の磁場軸が前記
半導体試料の表面に垂直に入射する方向であるものとす
ることもできる。こうすれば、マイクロ波の交番磁界が
溶融シリコンに印加されることにより生じる誘導電流に
おける電荷移動がシリコン原子移動を活発化するから、
凝固時に形成される結晶粒界へのシリコン原子の供給も
活発化し、粒径を増大させることができる。

【００１７】さらに、本発明のレーザアニール方法にお
いて、前記所定の方向は、前記マイクロ波の電場軸と磁
場軸とが共に前記半導体試料の表面に対して平行になる
方向であるものとすることもできる。こうすれば、マイ
クロ波の交番磁界は試料表面と平行方向に形成されるが
溶融シリコンにはこれと垂直方向に交番電界が誘起さ
れ、これにより溶融シリコン内におけるシリコン原子の
移動が活性化するから、凝固時に形成される結晶粒界へ
のシリコン原子の供給も活発化し、粒径を増大させるこ
とができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は本発明の一実施例であるレ
ーザアニール装置２０の構成の概略を示す構成図であ
り、図２は図１中のＡ−Ａ面から見たマイクロ波導波管
３０の上面図であり、図３は図１中のＢ−Ｂ面から見た
マイクロ波導波管３０の下面図である。実施例のレーザ
アニール装置２０は、図１に示すように、レーザ光パル
ス２４を出射するパルスレーザ発振器２２と、レーザ光
パルス２４の断面形状や強度分布を調節するビーム成形
光学回路系２６と、マイクロ波３１を伝搬するマイクロ
波導波管３０と、シリコン薄膜としての試料４２を載置
する試料台４０とを備える。

【００１９】パルスレーザ発振器２２は、実施例ではＫ
ｒＦエキシマレーザを用い、波長２４８ｎｍ，パルス幅
３５ｎｓ，出力３２０ｍＪのレーザ光パルス２４を発す
ることができるものとした。

【００２０】ビーム成形光学回路系２６は、実施例では
上述のレーザ光パルス２４を、断面形状が縦１１ｍｍ横
１．７ｍｍの長方形で、内部のレーザビーム光強度が３
００ｍＪ／ｃｍ²の均質なエネルギ密度のものとなるよ
う調節するものとした。

【００２１】マイクロ波導波管３０には、２．４５ＧＨ
ｚで発振する図示しないマグネトロンにより発生させイ
ンピーダンス調製を行なったマイクロ波３１を５００Ｗ
の出力で導入するものとした。また、マイクロ波導波管
３０はＴＥ１０モードで伝播するように設計されてお
り、高さ４．７ｃｍ幅９．６ｃｍの長方形断面となるよ
う形成されている。マイクロ波導波管３０のレーザ光パ
ルス２４の入射面に相当する面の幅が９．６ｃｍである
から、この面はマイクロ波導波管３０内の電界軸に垂直
な面となる。図１に示すように、マイクロ波導波管３０
の端部（図１中右端）には、マイクロ波定在波の電界成
分の極大部の位置を調節するための可動反射板３２が取
り付けられており、可動反射板３２を操作棒３３を用い
て操作することにより電界成分の極大部の位置を調節で
きるようになっている。マイクロ波導波管３０のレーザ
光パルス２４の通り道となる上下面には、入射孔３４と
出射孔３５とが形成されている。入射孔３４と出射孔３
５は、共にレーザ光パルス２４は透過するがマイクロ波
導波管３０内のマイクロ波３１を外部へ漏洩することの
ない条件を満たす形状であればよい。実施例で用いたマ
イクロ波３１の管内波長は約１６ｃｍであるから、これ
に対して１／４以下の長さであればよく、実施例では入
射孔３４と出射孔３５を２ｃｍの正方形状とした。

【００２２】マイクロ波導波管３０の出射孔３５近傍に
は、平板状のアンテナ３６が絶縁シール３７を介して試
料４２に向かってマイクロ波導波管３０の下面を貫通す
るように取り付けられている。アンテナ３６は、マイク
ロ波導波管３０内におけるマイクロ波３１の伝達を阻害
せずに電界を吸収できるような高さに管内高さが調節さ
れておればよく、実施例では約４．５ｃｍとした。ま
た、アンテナ３６のマイクロ波導波管３０の外側の長さ
は、実施例のマイクロ波３１の管外波長が約１２ｃｍで
あるから、その１／４の３ｃｍとした。アンテナ３６の
幅はレーザ光パルス２４の照射長さ以上とするために３
ｃｍとし、厚さは２ｍｍとした。また、アンテナ３６と
試料４２との間隔は２ｍｍとなるよう調節した。こうし
た構成によりマイクロ波導波管３０内のマイクロ波３１
により発生する交番電場を、入射孔３４から漏洩させる
ことなく管内の定在波を乱さない程度のレベルで出射孔
３５側に引き出すことができる。

【００２３】こうして構成された実施例のレーザアニー
ル装置２０で、マイクロ波導波管３０内のマイクロ波定
在波の電界成分の極大部の位置がアンテナ３６に一致す
るよう可動反射板３２を操作することにより、試料４２
にレーザ光パルス２４を照射すると共にアンテナ３６か
ら交番電場を作用させることができる。図４に試料４２
にレーザ光パルス２４が照射されると共にアンテナ３６
から交番電場３９が作用している様子を例示し、図５に
レーザ光パルス２４と交番電場３９が試料４２に作用し
ている様子を例示する。図５中のハッチング部分は、レ
ーザの照射によりシリコンが溶融している部分を示す。
図示するように、レーザ光パルス２４の照射により試料
４２のハッチング部分のシリコンは溶融する。このと
き、溶融シリコンは、垂直に印加されるマイクロ波３１
の交番電界の作用により導電性電極として働き、溶融シ
リコン下部の非溶融シリコン原子の、特に不対電子を持
つボンドに対して電子分布への振動を与える。この結
果、溶融しつつあるシリコンに対しては深部に亘ってシ
リコンの溶融を進行させることができる。また、凝固し
つつあるシリコンに対しては試料４２表面に垂直な方向
への揺動が反映して結晶化後のシリコン粒内のボンドが
その方向へ向いた（１１１）結晶配向性を強く促進させ
ることができる。

【００２４】図６に実施例のレーザアニール装置２０と
比較例のレーザアニール装置とによりレーザアニールを
施して得られたポリシリコン薄膜のＸ線回折結果を示
す。図６中、曲線Ａは実施例のレーザアニール装置によ
りレーザアニールが施されたポリシリコン薄膜のＸ線回
折結果であり、曲線Ｂは比較例のレーザニール装置によ
りレーザアニールが施されたポリシリコン薄膜のＸ線回
折結果である。なお、比較例のレーザアニール装置とし
ては、レーザ光パルス２４のみを照射しマイクロ波３１
の交番電場を作用させないものとし、交番電場の作用以
外は実施例と同様とした。Ｘ線回折結果からも解るよう
に、実施例のレーザアニール装置によりレーザアニール
が施されたポリシリコン薄膜は、比較例に比して強い
（１１１）回折強度を示す。

【００２５】以上説明した実施例のレーザアニール装置
２０によれば、レーザ光パルス２４を照射すると共に交
番電場３９を試料４２に作用させることにより、結晶化
深度を深くすることができると共に結晶配向性を高くす
ることができる。また、レーザ光パルス２４の強度や交
番電場３９の強度を調節することにより、結晶化深度や
結晶配向性を調節することができる。

【００２６】実施例のレーザアニール装置２０では、マ
イクロ波導波管３０の入射孔３４や出射孔３５，アンテ
ナ３６を寸法を明記したが、この寸法に限定されるもの
でなく、マイクロ波３１の波長を考慮して自由に設計で
きるものである。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例であるレーザ
アニール装置２０Ｂについて説明する。図７は、第２実
施例のレーザアニール装置２０Ｂの構成の概略を示す構
成図であり、図８は図７中のＣ−Ｃ面から見たマイクロ
波導波管３０Ｂの上面図であり、図９は図７中のＤ−Ｄ
面から見たマイクロ波導波管３０Ｂの下面図である。第
２実施例のレーザアニール装置２０Ｂは、図７に示すよ
うに、アンテナ３６Ｂが異なる点を除いて第１実施例の
レーザアニール装置２０と同一の構成をしている。した
がって、説明の容易のため、第２実施例のレーザアニー
ル装置２０Ｂの構成のうち第１実施例のレーザアニール
装置２０の構成と同一の構成については同一の符号を付
し、その説明を省略する。

【００２８】マイクロ波導波管３０Ｂの出射孔３５近傍
には、円形断面の棒状のアンテナ３６Ｂがマイクロ波導
波管３０Ｂの下面を貫通するように配置されている。ア
ンテナ３６Ｂは、マイクロ波導波管３０Ｂ内におけるマ
イクロ波３１の伝達を阻害せずに磁界を吸収できるよう
な高さに管内高さが調節されておればよく、実施例では
約４．５ｃｍとした。また、アンテナ３６Ｂは、試料４
２の表面と距離が２ｍｍで平行になるよう試料４２の直
上で直角に曲げられている。このアンテナ３６Ｂのマイ
クロ波導波管３０Ｂの外側の長さの合計は、実施例のマ
イクロ波３１の管外波長が約１２ｃｍであるから、その
１／４の３ｃｍとした。なお、アンテナ３６の直径は２
ｍｍとした。こうした構成によりマイクロ波導波管３０
Ｂ内のマイクロ波３１により発生する交番磁場を、入射
孔３４から漏洩させることなく管内の定在波を乱さない
程度のレベルで出射孔３５側に引き出すことができる。

【００２９】こうして構成された第２実施例のレーザア
ニール装置２０Ｂで、マイクロ波導波管３０Ｂ内のマイ
クロ波定在波の磁界成分の極大部の位置がアンテナ３６
Ｂに一致するよう可動反射板３２を操作することによ
り、試料４２にレーザ光パルス２４を照射すると共にア
ンテナ３６Ｂから交番磁場を作用させることができる。
図１０に試料４２にレーザ光パルス２４が照射されると
共にアンテナ３６Ｂから交番磁場３９Ｂが作用している
様子を例示し、図１１にレーザ光パルス２４と交番磁場
３９Ｂが試料４２に作用している様子を例示する。図１
１中のハッチング部分は、レーザの照射によりシリコン
が溶融している部分を示す。図示するように、レーザ光
パルス２４の照射により試料４２のハッチング部分のシ
リコンは溶融する。このとき、溶融シリコンには、垂直
に印加されるマイクロ波３１の交番磁界の作用により誘
導電流が流れる。この誘導電流は溶融シリコン内での電
荷移動であるから、この電荷移動に伴ってシリコン原子
移動が活発化し、この結果、凝固時に形成される結晶粒
界へシリコン原子が供給されるため、粒界での未結合手
が低減され、粒径を増大させる。

【００３０】図１２に第２実施例のレーザアニール装置
２０Ｂによりレーザアニールを施して得られるポリシリ
コン薄膜の結晶粒径分布の一例を示し、図１３に比較例
のレーザアニール装置によりレーザアニールを施して得
られるポリシリコン薄膜の結晶粒径分布の一例を示す。
図１２のグラフと図１３のグラフから解るように、第２
実施例のレーザアニール装置２０Ｂによりレーザアニー
ルを施して得られるポリシリコン薄膜の結晶粒径分布
は、比較例に比して大きい方にシフトしている。即ち、
第２実施例のレーザアニール装置２０Ｂによるレーザア
ニールの方がポリシリコン薄膜の結晶粒径を大きくする
ことができるのである。

【００３１】以上説明した第２実施例のレーザアニール
装置２０Ｂによれば、レーザ光パルス２４を照射すると
共に交番磁場３９Ｂを試料４２に作用させることによ
り、結晶粒径を大きくすることができる。また、レーザ
光パルス２４の強度や交番磁場３９Ｂの強度を調節する
ことにより、結晶粒径を調節することができる。

【００３２】第２実施例のレーザアニール装置２０Ｂで
は、マイクロ波導波管３０Ｂの入射孔３４や出射孔３
５，アンテナ３６Ｂを寸法を明記したが、この寸法に限
定されるものでなく、マイクロ波３１の波長を考慮して
自由に設計できるものである。

【００３３】次に、本発明の第３の実施例であるレーザ
アニール装置２０Ｃについて説明する。図１４は、第３
実施例のレーザアニール装置２０Ｃの構成の概略を示す
構成図であり、図１５は図１４中のＥ−Ｅ面から見たマ
イクロ波導波管３０Ｃの上面図であり、図１６は図１４
中のＦ−Ｆ面から見たマイクロ波導波管３０Ｃの上面図
である。第３実施例のレーザアニール装置２０Ｃは、図
１４に示すように、アンテナ３６を備えない点と入射孔
３４Ｃおよび出射孔３５Ｃの形状を除いて第１実施例の
レーザアニール装置２０と同一の構成をしている。した
がって、説明の容易のため、第３実施例のレーザアニー
ル装置２０Ｃの構成のうち第１実施例のレーザアニール
装置２０の構成と同一の構成については同一の符号を付
し、その説明を省略する。

【００３４】マイクロ波導波管３０Ｃに設けられた入射
孔３４Ｃは、レーザ光パルス２４を透過するがマイクロ
波導波管３０Ｃ内のマイクロ波３１を外部に漏洩するこ
とがない形状に形成されている。実施例では、長手方向
がマイクロ波導波管３０Ｃの管軸方向となる長方形状と
し、短辺の長さをマイクロ波導波管３０Ｃ内のマイクロ
波３１の波長の１／４以下の１ｃｍとし、長辺の長さを
マイクロ波３１の自由波長の１／２の６ｃｍとした。入
射孔３４Ｃの長手方向はマイクロ波導波管３０Ｃの管軸
と平行なため、長辺を６ｃｍとしても外部にマイクロ波
３１が漏洩することはない。

【００３５】マイクロ波導波管３０Ｃに設けられた出射
孔３５Ｃは、レーザ光パルス２４を透過すると共にマイ
クロ波導波管３０Ｃ内のマイクロ波３１が形成する電磁
場を発振が不安定にならない程度に外部に放射する条件
を満たす形状に形成されている。実施例では、出射孔３
５Ｃの形状を入射孔３４Ｃと同一とし、その長手方向が
マイクロ波導波管３０Ｃの管軸に対して角度θ（実施例
では２５度）を持つよう形成した。これにより、マイク
ロ波導波管３０Ｃ内のマイクロ波３１が形成する電磁場
が出射孔３５Ｃを介して外部にリークするようにした。

【００３６】こうして構成された第３実施例のレーザア
ニール装置２０Ｃで、マイクロ波導波管３０Ｃ内のマイ
クロ波定在波の極大部の位置が出射孔３５Ｃに一致する
よう可動反射板３２を操作することにより、試料４２に
レーザ光パルス２４を照射すると共に出射孔３５Ｃから
交番電磁場３７Ｃを作用させることができる。なお、交
番電磁場３７Ｃのうちの電場３８Ｃは出射孔３５Ｃの短
辺に平行となり、磁場３９Ｃは出射孔３５Ｃの長辺と平
行となる。図１７に出射孔３５Ｃからリークする交番電
磁場３７Ｃの電場３８Ｃと磁場３９Ｃの方向を示し、図
１８にレーザ光パルス２４と交番電磁場３７Ｃが試料４
２に作用している様子を例示する。図１８中のハッチン
グ部分は、レーザの照射によりシリコンが溶融している
部分を示す。図示するように、レーザ光パルス２４の照
射により試料４２のハッチング部分のシリコンは溶融す
る。このとき、マイクロ波による交番磁界は試料４２表
面と平行方向に形成されるが、これと垂直方向に誘起さ
れた交番電界が溶融シリコンに作用するから、溶融シリ
コン内でシリコン原子の移動が活性化し、この結果、凝
固時に形成される結晶粒界へシリコン原子が供給される
ため、粒界での未結合手が低減され、粒径を増大させ
る。

【００３７】この実施例のレーザアニール装置２０Ｃに
よりレーザアニールを施して得られるポリシリコン薄膜
の不対電子密度（ｃｍ^-3）は２×１０¹⁸であり、比較例
のレーザアニール装置よるポリシリコン薄膜の不対電子
密度の２×１０¹⁹に比して小さかった。なお、不対電子
密度は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ）により求めた。

【００３８】以上説明した第３実施例のレーザアニール
装置２０Ｃによれば、レーザ光パルス２４を照射すると
共に交番電磁場３７Ｃを試料４２に作用させることによ
り、不対電子密度を小さくすることができる。また、レ
ーザ光パルス２４の強度や交番電磁場３７Ｃの強度を調
節することにより、不対電子密度を調節することができ
る。

【００３９】第３実施例のレーザアニール装置２０Ｃで
は、マイクロ波導波管３０Ｃの入射孔３４Ｃや出射孔３
５Ｃを寸法を明記したが、この寸法に限定されるもので
なく、マイクロ波３１の波長を考慮して自由に設計でき
るものである。

【００４０】第１ないし第３実施例のレーザアニール装
置２０，２０Ｂ，２０Ｃでは、レーザ光が試料の表面に
対して垂直に入射するよう照射したが、レーザ光が試料
表面に斜めに入射するよう照射するものとしてもよい。
また、第１ないし第３実施例のレーザアニール装置２
０，２０Ｂ，２０Ｃでは、入射孔３４，３４Ｂ，３４Ｃ
の形状を考慮することにより入射孔３４，３４Ｂ，３４
Ｃからマイクロ波３１が漏洩しないようにしたが、入射
孔３４，３４Ｂ，３４Ｃ周辺につばを付けてマイクロ波
３１の漏洩を押さえるものとしたり、入射孔３４，３４
Ｂ，３４Ｃに金属製のメッシュを取り付けてマイクロ波
３１の漏洩を押さえるものとしたり、あるいは、入射孔
３４，３４Ｂ，３４ＣにＩＴＯガラスをはめ込んで漏洩
を押さえるものとしてもよい。また、マイクロ波導波管
３０，３０Ｂ，３０Ｃを石英で形成し、内部全体をＩＴ
Ｏ膜でコーティングするものとしてもよい。

【００４１】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例であるレーザアニール装置
２０の構成の概略を示す構成図である。

【図２】 図１中のＡ−Ａ面から見たマイクロ波導波管
３０の上面図である。

【図３】 図１中のＢ−Ｂ面から見たマイクロ波導波管
３０の下面図である。

【図４】 試料４２にレーザ光パルス２４が照射される
と共にアンテナ３６から交番電場３９が作用している様
子を例示する説明図である。

【図５】 レーザ光パルス２４と交番電場３９が試料４
２に作用している様子を例示する説明図である。

【図６】 実施例のレーザアニール装置２０と比較例の
レーザアニール装置とによりレーザアニールを施して得
られたポリシリコン薄膜のＸ線回折結果を例示するグラ
フである。

【図７】 第２実施例のレーザアニール装置２０Ｂの構
成の概略を示す構成図である。

【図８】 図７中のＣ−Ｃ面から見たマイクロ波導波管
３０Ｂの上面図である。

【図９】 図７中のＤ−Ｄ面から見たマイクロ波導波管
３０Ｂの下面図である。

【図１０】 試料４２にレーザ光パルス２４が照射され
ると共にアンテナ３６Ｂから交番磁場３９Ｂが作用して
いる様子を例示する説明図である。

【図１１】 レーザ光パルス２４と交番磁場３９Ｂが試
料４２に作用している様子を例示する説明図である。

【図１２】 第２実施例のレーザアニール装置２０Ｂに
よりレーザアニールを施して得られるポリシリコン薄膜
の結晶粒径分布を例示するグラフである。

【図１３】 比較例のレーザアニール装置によりレーザ
アニールを施して得られるポリシリコン薄膜の結晶粒径
分布を例示するグラフである。

【図１４】 第３実施例のレーザアニール装置２０Ｃの
構成の概略を示す構成図である。

【図１５】 図１４中のＥ−Ｅ面から見たマイクロ波導
波管３０Ｃの上面図である。

【図１６】 図１４中のＦ−Ｆ面から見たマイクロ波導
波管３０Ｃの上面図である。

【図１７】 出射孔３５Ｃからリークする交番電磁場３
７Ｃの電場３８Ｃと磁場３９Ｃの方向を例示する説明図
である。

【図１８】 レーザ光パルス２４と交番電磁場３７Ｃが
試料４２に作用している様子を例示する。

【符号の説明】

２０，２０Ｂ，２０Ｃ レーザアニール装置、２２ パ
ルスレーザ発振器、２４ レーザ光パルス、２６ ビー
ム成形光学回路系、３０，３０Ｂ，３０Ｃ マイクロ波
導波管、３１ マイクロ波、３２ 可動反射板、３３
操作棒、３４，３４Ｃ 入射孔、３５，３５Ｃ 出射
孔、３６，３６Ｂ アンテナ、３７ 絶縁シール、３７
Ｃ 交番電磁場、３８Ｃ 電場、３９ 交番電場、３９
Ｂ 交番磁場、３９Ｃ 磁場、４０ 試料台、４２ 試
料。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザを照射して半導体試料を改質する
   レーザアニール装置であって、 前記半導体試料に前記レーザの照射と共に所定の方向の
   マイクロ波を照射するマイクロ波照射手段を備えるレー
   ザアニール装置。
2. 【請求項２】 前記所定の方向は、前記マイクロ波の電
   場軸が前記半導体試料の表面に垂直に入射する方向であ
   る請求項１記載のレーザアニール装置。
3. 【請求項３】 前記マイクロ波照射手段は、前記レーザ
   の入射孔と前記半導体試料の近傍に配置された前記レー
   ザの出射孔とを前記マイクロ波定在波の電界成分の極大
   部近傍に形成してなる導波管と、該導波管の前記出射孔
   近傍を貫通し前記半導体試料に近接するよう配置され該
   導波管内の電界を該半導体試料に放射するアンテナとを
   備える請求項２記載のレーザアニール装置。
4. 【請求項４】 前記所定の方向は、前記マイクロ波の磁
   場軸が前記半導体試料の表面に垂直に入射する方向であ
   る請求項１記載のレーザアニール装置。
5. 【請求項５】 前記マイクロ波照射手段は、前記レーザ
   の入射孔と前記半導体試料の近傍に配置された前記レー
   ザの出射孔とを前記マイクロ波定在波の磁界成分の極大
   部近傍に形成してなる導波管と、該導波管の前記出射孔
   近傍を貫通し前記半導体試料に近接するよう配置され該
   導波管内の磁界を該半導体試料に放射するアンテナとを
   備える請求項４記載のレーザアニール装置。
6. 【請求項６】 前記所定の方向は、前記マイクロ波の電
   場軸と磁場軸とが共に前記半導体試料の表面に対して平
   行になる方向である請求項１記載のレーザアニール装
   置。
7. 【請求項７】 前記マイクロ波照射手段は、前記レーザ
   の入射孔と前記半導体試料の近傍に配置され該入射孔に
   対して所定の角度を有し前記レーザを透過すると共に前
   記マイクロ波を前記半導体試料に照射する出射孔とを形
   成してなる導波管を備える請求項６記載のレーザアニー
   ル装置。
8. 【請求項８】 レーザを照射して半導体試料を改質する
   レーザアニール方法であって、前記レーザの照射と共に
   所定の方向のマイクロ波を照射して前記半導体試料の改
   質を行なうレーザアニール方法。
9. 【請求項９】 前記所定の方向は、前記マイクロ波の電
   場軸が前記半導体試料の表面に垂直に入射する方向であ
   る請求項８記載のレーザアニール方法。
10. 【請求項１０】 前記所定の方向は、前記マイクロ波の
    磁場軸が前記半導体試料の表面に垂直に入射する方向で
    ある請求項８記載のレーザアニール方法。
11. 【請求項１１】 前記所定の方向は、前記マイクロ波の
    電場軸と磁場軸とが共に前記半導体試料の表面に対して
    平行になる方向である請求項８記載のレーザアニール方
    法。