JP2003257855A - 半導体薄膜の形成方法および半導体薄膜の形成装置 - Google Patents

半導体薄膜の形成方法および半導体薄膜の形成装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】絶縁材からなる基層上に、結晶性の優れた半導
体薄膜を形成する。 【解決手段】光源であるエキシマレーザ１と、該エキシ
マレーザ１から発せられる光の光強度分布を均一化する
ホモジナイザ３と、ホモジナイザ３によって光強度分布
が均一化された光の振幅が、光の非晶質基板９に対する
相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変
調マスク５と、振幅変調マスク５によって振幅が変調さ
れた光を、非晶質基板９上に形成された非単結晶半導体
層１０上に、所定の照射エネルギーが得られるように投
射する投射光学系６と、光の照射面内で温度の低い点を
設ける位相シフトマスク８と、光と非晶質基板９とを相
対的に動かすＸ、Ｙ方向に走査可能な基板ステージを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁材からなる基
層上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の形成方法およ
び半導体薄膜の形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】絶縁材からなる基層として、例えば、非
晶質基板、特に安価なガラス基板を用い、該基板上に高
性能な半導体薄膜、例えばシリコン（Ｓｉ）薄膜を形成
するには、ＵＶ（紫外線）パルスレーザによる結晶化法
が優れていることが示され、実用化に至っている。しか
し現在、実用化されている技術によって得られるシリコ
ン薄膜は、平均結晶粒径が数百ｎｍの多結晶薄膜であ
り、移動度も結晶粒界に律速されて、せいぜい２００ｃ
ｍ２／Ｖ・ｓｅｃである。これらの薄膜を用いた薄膜ト
ランジスタ（ＴＦＴ）では、性能バラツキなどを考慮す
ると、トランジスタのチャネル長Ｌは、平均結晶粒径の
１０倍以上の数μｍ程度にする必要を生じ、結果とし
て、遮断周波数はせいぜい５ＭＨｚ程度の駆動回路が設
計できる程度である。より高性能な駆動回路、例えば、
１００ＭＨｚ程度で駆動できるものを設計しようとする
場合には、おおざっぱな計算では、チャネル長Ｌを１μ
ｍ、移動度３００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度の薄膜トラン
ジスタが必要で、かつ性能バラツキがあってはならな
い。すなわち、非晶質基板上に形成する半導体薄膜（Ｓ
ｉ薄膜）は、結晶粒径が１μｍ以上で、かつ、チャネル
内には結晶粒界がないものが要求される。以上の要求を
満足させる方法として、ＳＬＳ（Sequential Lateral
Solidification）法や位相シフトマスク結晶化法など
が提案されている。前者の方法は、ＳＬＧ（Super Lat
eral Growth）現象と、ステージによるステップ アン
ド リピートとを組合わせたものである。
【０００３】《第１の従来技術》図７は、この第１の従
来技術を説明する図である。７１はエキシマレーザ、７
２は出射ビーム、７３はホモジナイザ、７４はラインビ
ーム（均一化レーザ光）、７５は非晶質基板、７６は非
単結晶半導体層、７７は多結晶化半導体層である。従
来、液晶などのディスプレイに用いられる薄膜トランジ
スタ用の半導体薄膜は、アモルファスシリコン薄膜であ
った。通常、アモルファスシリコンの移動度は、約１ｃ
ｍ２／Ｖ・ｓｅｃであるが、アクティブマトリックス用
液晶パネルのスイッチングトランジスタに用いるには十
分な性能である。しかしながら、近年、ガラス基板上の
薄膜トランジスタの高性能化が研究開発されて、ガラス
基板上でも１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃのものが実用にな
ってきた。その技術が、図７に示したエキシマレーザに
よるアモルファスシリコンの結晶化技術である。この技
術によって得られる薄膜は、約３００〜５００ｎｍ程度
の結晶粒径を持つ多結晶薄膜である。エキシマレーザに
よる結晶化は、２０ｎｓｅｃ程度の短時間に紫外線をシ
リコン薄膜に照射して、シリコン薄膜のみ溶融−凝固過
程を経て結晶化させる技術であり、基板に熱的ダメージ
のない低温プロセスである。図７に示す装置において、
光源としては、ＸｅＣｌ（波長：３０８ｎｍ）などの高
出力パルスレーザを用いる。量産に用いるレーザの出射
形状は、例えば２ｃｍ×１ｃｍの矩形の形状である。通
常は、その形状のビームをホモジナイザ６３を用いて、
２０ｃｍ×３００〜５００μｍのラインビームに成形す
るとともに、光強度の均一化を図ったものを用いる。液
晶ディスプレイ用母材ガラスは、１０〜２０μｍのピッ
チで搬送して、母材ガラス板上に形成されたアモルファ
スシリコン膜全面を結晶化する。図８は、図７の第１の
従来技術における光学系を示す図である。７２はエキシ
マレーザの出射ビーム、８１はホモジナイザ（図７の７
３）のフライアイレンズ、７４はラインビーム、８２は
ビームの投射光学系（図６では、図示省略）である。エ
キシマレーザの出射ビーム７２は、上述のように例えば
２ｃｍ×１ｃｍであり、通常の固体レーザに比べ、かな
り均一な光源ではあるが、エッジ近傍では図８中に示す
ように緩やかな光強度の低下がある。この第１の従来技
術において用いられているホモジナイザ７３（図７）
は、例えば図８に示すように、フライアイレンズ８１を
用いて分割し、ビーム形状を変化させるとともに、ビー
ム強度の均一性を改善することができる。図８のように
して得られたラインビーム７４を上述のように１０〜２
０μｍのピッチで走査して大面積基板の結晶化に対応し
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７、
図８に示した第１の従来技術、あるいは従来技術をもと
にして高性能なＳｉ結晶化膜を得るためにＳＬＧ領域を
利用する技術では、 １）原理的にＳＬＧの長さ（せいぜい１μｍ）以上の送
りピッチでは、ステップ アンド リピートできないの
で、生産性が悪い。 ２）この方法で得られる多結晶薄膜では、移動度に限界
があり、このまま結晶粒界位置を制御することなく、結
晶粒径を大きくしても、面内バラツキが増大して実用に
ならない。 ３）走査方向に残留結晶粒界がほぼ数百ｎｍ毎に存在
し、走査方向に垂直方向には送りピッチ毎に結晶欠陥が
存在するため、１μｍの薄膜トランジスタへの応用を考
えたときには現状では適さない。
【０００５】《第２の従来技術》上記位相シフトマスク
結晶化法は、人為的に位相シフトマスクを用いて、基板
面上に照射強度の傾きを設けることで、結晶のラテラル
（横方向）成長を制御し、大結晶粒の結晶を得ようとす
る方法である。特に、この方法については、松村らによ
って基本コンセプトが公開され、原理検証が行われてい
る。例えば、「エキシマレーザを用いた巨大結晶粒Ｓｉ
薄膜の形成」（表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 20
00）図９（ａ）は、この第２の従来技術を説明する図、
図９（ｂ）は、図９（ａ）の一部拡大詳細図である。図
９（ａ）において、９１はエキシマレーザ、９２は出射
ビーム、９３はビーム強度（寸法）変換光学系、９４、
９５は位相シフトマスク、９６は非晶質基板、９７は非
単結晶半導体層、図８（ｂ）において、９８は結晶成長
の起点、９９は単結晶粒である。近年、上記第１の従来
技術で述べたように、ガラス基板上の薄膜トランジスタ
の高性能化によって、ガラス基板上でも移動度１００ｃ
ｍ２／Ｖ・ｓｅｃのものが実用となり、駆動回路などが
画素薄膜トランジスタと同一基板上に集積できるように
なった。しかし、さらに液晶パネルなどのシステム化を
図るためには、さらに高性能で特性バラツキのない薄膜
トランジスタの材料が求められる。図９に示す第２の従
来技術は、その目的のために結晶粒径（５μｍ程度）の
制御と、結晶粒界の位置制御を行うための技術である。
光源としては、基本的には、エキシマレーザ９１からの
出射ビーム９２をそのまま用いるが、光強度が充分得ら
れないときは、ビーム強度変換光学系９３（後で図１０
を用いて詳述）を用いてビーム形状を変換して用いる。
また、光強度を２次元的に変調することが、この技術の
重要な点であるが、直交する位相シフトマスク９４、９
５を用いて、位相シフトマスク９４による図中の矢印Ａ
方向（基板走査方向）での比較的緩やかな変調（１０μ
ｍピッチ）と、位相シフトマスク９５による矢印Ｂ方向
（基板走査方向に垂直な方向）での変調（現状で実証さ
れているのは２０μｍピッチ）とを組み合わせて、図９
（ｂ）に示す結晶成長の起点９８を生じさせて、矢印Ａ
方向に結晶のラテラル成長を誘起する（後で図１１を用
いて詳述）。図１０は、図９の第２の従来技術における
レーザ照射光学系を示す図である。９２はエキシマレー
ザの出射ビーム、９３はビーム強度変換光学系、１００
はマスク（絞り）である。既に述べたが、エキシマレー
ザの出射ビーム９２は、例えば２ｃｍ×１ｃｍであり、
通常の固体レーザに比べ、かなり均一な光源ではある
が、エッジ近傍では図１０中に示すように緩やかな光強
度の低下がある。この第２の従来技術では、位相シフト
マスク９４、９５を用いるので、ビームの空間的コヒー
レンスが求められるために、図９に示したような単レン
ズあるいは単レンズの組み合わせの光学系を用いる必要
がある。照射強度を変換するためには、図１０に示すよ
うにビーム強度変換光学系９３を用いてビーム径を変換
する。これにより、ビームの空間コヒーレンスは保たれ
るが、ビームの均一性が改善されることがない。これ
が、この技術での問題点である。したがって、図９に示
したようなマスク１００（絞り）を設け、光の利用効率
は低下させるが、均一性を向上させる手段を用いてい
る。図１１（ａ）は、図９の第２の従来技術における光
変調光学系を示す図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の
一部拡大詳細図である。図１１（ａ）において、９４、
９５は位相シフトマスク、９６は非晶質基板、９７は非
単結晶半導体層、９０はエキシマレーザ光、図１０
（ｂ）において、９８は結晶成長の起点、９９は単結晶
粒である。この第２の従来技術では、光強度を２次元的
に変調することが技術の重要な点であることを述べた。
図１１（ａ）に示すように、エキシマレーザ光９０に位
相シフトマスク９４（Ｙシフタ）によって、図１１
（ｂ）のに示すような光強度変調を生じさせ、位相シ
フトマスク９５（Ｘシフタ）によって、図１１（ｂ）の
に示すような光強度変調を生じさせることができる。
これらの分離され、直交する位相シフトマスク９４、９
５の両者の重ね合わせによって、図１１（ｂ）に示すよ
うな位置制御型の単結晶粒９９を成長させることができ
る。しかしながら、図９〜図１１に示した第２の従来技
術では、１）人為的に位相シフトマスク９４、９５で照
射強度に傾きを設けるので、約５〜１０μｍ程度のラテ
ラル成長を実現できるが、単結晶化できない領域が必ず
存在するため、高密度に形成できない。２）位相シフト
マスク９４、９５を用いるので、照射光に可干渉性が要
求されるため、レーザの平行ビームが必要となる。現状
の高出力が得られるエキシマレーザでは、発散角を有し
ており、位置精度とラテラル成長の長さとの関係におい
てトレードオフ関係がある。加えて、平行ビーム系を扱
うために、ビームの振幅の均一性は、レーザ発振器を出
射した直後のビームの振幅強度分布に依存している。こ
のため、結晶化領域の位置精度面や高密度化に課題があ
り、レーザ照射領域内での均一性と照射面積との間でト
レードオフ関係となり、実用上その生産性が問題とな
る。本発明の目的は、絶縁材からなる基層上に、結晶性
の優れた半導体薄膜を形成する半導体薄膜の形成方法お
よび半導体薄膜の形成装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては特許請求の範囲に記載するような
構成をとる。すなわち、請求項１記載の半導体薄膜の形
成方法は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層
を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光
と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体
層を結晶化する半導体薄膜の形成方法において、前記光
の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化され
た光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向
きに増加するように振幅変調を行い、前記振幅が変調さ
れた光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体
層上に投射し、前記光の照射面内で温度の低い点を設
け、結晶成長の起点を生成し、前記光の前記基層に対す
る相対運動方向に沿って結晶を形成して単結晶領域を形
成することを特徴とする。また、請求項２記載の半導体
薄膜の形成方法は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶
半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射
し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単
結晶半導体層を結晶化する半導体薄膜の形成方法におい
て、前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が
均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相
対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、前記光
の照射面内で温度の低い点を設け、結晶成長の起点を生
成し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って
結晶を形成して単結晶領域を形成することを特徴とす
る。また、請求項３記載の半導体薄膜の形成方法は、請
求項１または２記載の半導体薄膜の形成方法において、
前記成長の距離程度のピッチで、前記光と前記基層とを
相対的に動かし、先行する第１のショットに、前記第１
のショットに引き続く第２のショットを一部重ね合わ
せ、帯状の単結晶領域を形成することを特徴とする。ま
た、請求項４記載の半導体薄膜の形成装置は、絶縁材か
らなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単
結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対
的に動かして、前記非単結晶半導体層を結晶化する半導
体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源と、前
記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモ
ジナイザと、前記ホモジナイザによって光強度分布が均
一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対
運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手
段と、前記振幅変調手段によって振幅が変調された光
を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に
投射する投射光学系と、前記光の照射面内で温度の低い
点を設ける手段と、前記光と前記基層とを相対的に動か
す手段とを有することを特徴とする。また、請求項５記
載の半導体薄膜の形成装置は、請求項４記載の半導体薄
膜の形成装置において、前記振幅変調手段が、光吸収マ
スクであることを特徴とする。また、請求項６記載の半
導体薄膜の形成装置は、請求項４記載の半導体薄膜の形
成装置において、前記温度の低い点を設ける手段が、位
相シフトマスクであることを特徴とする。また、請求項
７記載の半導体薄膜の形成装置は、請求項４記載の半導
体薄膜の形成装置において、前記温度の低い点を設ける
手段が、光吸収ドットを有するマスクであることを特徴
とする。また、請求項８記載の半導体薄膜の形成装置
は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成
し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記
基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を結
晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発す
る光源と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均
一化するホモジナイザと、前記ホモジナイザによって光
強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層
に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行
う振幅変調手段と、前記光の照射面内で温度の低い点を
設ける手段と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手
段とを有することを特徴とする。また、請求項９記載の
半導体薄膜の形成装置は、請求項８記載の半導体薄膜の
形成装置において、前記振幅変調手段および前記温度の
低い点を設ける手段が、光吸収ドットを有する位相シフ
トマスクであることを特徴とする。また、請求項１０記
載の半導体薄膜の形成装置は、請求項４または８記載の
半導体薄膜の形成装置において、前記振幅変調手段と前
記温度の低い点を設ける手段との位置合わせを行う位置
合わせ手段を有することを特徴とする。また、請求項１
１記載の半導体薄膜の形成装置は、請求項１０記載の半
導体薄膜の形成装置において、前記位置合わせ手段が、
アライメント用レーザビームとアライメントマークを用
いた位置合わせ手段であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する
図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。 実施の形態１ 図１（ａ）は、本発明の実施の形態１の半導体薄膜の形
成方法および装置を説明する図、図１（ｂ）は、図１
（ａ）の一部拡大詳細図である。図１（ａ）において、
１は光源である例えばエキシマレーザ、２は出射ビー
ム、３はホモジナイザ、４はラインビーム（均一化レー
ザ光）、５は例えば光吸収マスクからなる振幅変調マス
ク、６は例えば円筒（シリンドリカル）レンズ等からな
り、所定の照射エネルギーが得られるように投射する投
射光学系、７は均一化され、振幅変調され、投射された
ラインビーム、８は光の照射面内で温度の低い点を設け
る手段である例えば位相シフトマスク、９は例えばガラ
ス基板等の非晶質基板、１０は例えばＳｉ（シリコン）
等からなる非単結晶半導体層、１１は結晶化半導体層、
図１（ｂ）において、１２は単結晶アレイである。前述
の第２の従来技術では、位相シフトマスク（図８
（ａ）、図１０（ａ）の８４、８５）を用いるので、ビ
ームの空間的コヒーレンスが求められるために、基本的
には、１次光源のビームの均一性に支配されて、ビーム
の均一性が改善されることはない。したがって、第２の
従来技術は、結果的に光利用効率が低く、かつ、生産性
の低い方法である。そこで、本実施の形態１において
は、１次光源であるエキシマレーザ１を、前記第１の従
来技術で用いられたのと同様のホモジナイザ３（図６の
６３参照）を用いて、一旦ビームの成形と均一化を図
り、その後の光学系を、振幅変調手段である振幅変調マ
スク５、所定の照射エネルギーが得られるように投射す
る投射光学系６、結晶成長の起点を制御する位相シフト
マスク８で構成することで、空間的コヒーレンスに依存
しないで、前記第２の従来技術と同様な結晶成長を生じ
させることができる。すなわち、本実施の形態１によっ
て、光の利用効率を保ちながら、かつ、ラインビーム
４、７の形状のもので、単結晶アレイ１２を形成するこ
とができる大きな効果を生ぜしめることができる。
【０００８】図２（ａ）は、図１（ａ）のさらに具体的
な構成を示す図である。図２（ａ）において、４はライ
ンビーム（均一化レーザ光）、１３は振幅変調後の光強
度分布、８は位相シフトマスク、９は非晶質基板、１０
は非単結晶半導体層、１４は結晶成長の起点（結晶化の
起点）、１５は単結晶領域、１６はレーザ照射時の温度
分布、１７は融点である。なお、図２（ａ）では、振幅
変調マスク５、投射光学系６等は図示省略してある。図
２（ｂ）は、図１（ａ）の振幅変調マスク５を作製する
のに用いる、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収
端波長を示す図である。例えばＫｒＦ（フッ化クリプト
ン(クリプトンフルオライド)）レーザの場合は、図２
（ｂ）に示すように、Ｓｉ（Ｏ，Ｎ）系薄膜で、膜厚を
面内で分布させることによって、光吸収マスクからなる
振幅変調マスク５を作製することができる。同様に、Ｘ
ｅＣｌ（塩化キセノン(キセノンクロライド)）レーザの
場合では、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ）系
薄膜もしくはＳｉ（Ｏ，Ｎ，Ｃ）系薄膜によって、光吸
収マスク５からなる振幅変調マスク５の作製が可能とな
る。また、結晶成長の起点１４を制御（生成）する手段
としては、本実施の形態１では、例えば位相シフトマス
ク８を用いてその機能を付加することができる。本来、
位相シフトマスクは、照射される光源がコヒーレント光
であることが前提であるが、本発明が示すとおり、そう
ではなくても位相の異なる境界部はいつも最小値を取り
得ることから、図２（ａ）のレーザ照射時の温度分布１
６に示すように、Ｙ方向の中央部で、かつ、Ｘ方向の原
点に、周りより低温の部分を生じさせることができる。
その結果、図２（ａ）に示すような結晶成長の起点１４
を生じさせることができる。このように、本実施の形態
１においては、エキシマレーザ１から出射した直後のビ
ームをそのまま扱うことは、生産性と均一性制御とを両
立させる点で困難であるので、ビームのエリア分割と混
合とによって、振幅の均一なビームを生成する。この
際、光の可干渉性が失われるので、振幅変調マスク５を
用いた振幅変調によって、非晶質基板９面上の照射強度
変調を生じさせる。この概念によって、約５〜１０μｍ
程度を保つことができるラテラル成長を実現することが
できる。なお、前述の第２の従来技術における結晶化に
用いられるアモルファスシリコン膜の膜厚は、通常は１
００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ程度である。高
出力エキシマレーザを用い、ビームの均一化、ビームの
成形をした２０ｃｍ程度の幅を持つビームの場合、通常
４００ｍＪ／ｃｍ２程度の照射エネルギーを要するので
５ｍｍ／ｓｅｃ程度のスピードで走査することができ
る。通常、液晶ディスプレイで用いられる５５ｃｍ×６
５ｃｍのガラス基板の場合、約５分くらいかけて全面を
結晶化できる。本実施の形態１の結晶化に用いるアモル
ファスシリコン膜の膜厚は、５０ｎｍ〜３００ｎｍ、好
ましくは２００ｎｍ程度である。本実施の形態１で要求
される照射エネルギーは、前述の第１の従来技術で必要
とされる照射エネルギーの２〜３倍であるが、光学系の
設計を２次元にすることにより、第１の従来技術に比
べ、約３分の１以下の速度で５５ｃｍ×６５ｃｍのガラ
ス基板の全面に単結晶薄膜を形成することができた。す
なわち、非晶質基板上に、全面にくまなく均一に単結晶
薄膜を形成することは極めて困難な技術であるが、特に
ガラス基板等の非晶質基板上に、任意の位置に任意のピ
ッチで単結晶領域を形成できる技術が本発明で可能とな
り、要求される回路のスペックから決定される半導体薄
膜の性能や設計ルールに応じて適応可能な単結晶アレイ
形成の基盤技術として本発明を展開することができる。
【０００９】なお、本実施の形態１の半導体薄膜の形成
方法は、本発明の特許請求の範囲の請求項１に対応す
る。すなわち、絶縁材からなる基層（非晶質基板８）上
に、非単結晶半導体層（９）を形成し、上記非単結晶半
導体層に（エキシマレーザ１から出射される）光を照射
し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単
結晶半導体層を結晶化する半導体薄膜の形成方法におい
て、（ホモジナイザ３によって）前記光の光強度分布を
均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅が、
前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するよ
うに（振幅変調マスク５によって）振幅変調を行い、前
記振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記
非単結晶半導体層上に（投射光学系６によって）投射
し、（位相シフトマスク８によって）前記光の照射面内
で温度の低い点を設け、結晶成長の起点（１４）を生成
し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結
晶を形成して単結晶領域（１５）を形成することを特徴
とする。また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置
は、本発明の特許請求の範囲の請求項４に対応する。す
なわち、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を
形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と
前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層
を結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を
発する光源（エキシマレーザ１）と、前記光源から発せ
られる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ（３）
と、前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化され
た光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向
きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段（振幅
変調マスク５）と、前記振幅変調手段によって振幅が変
調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半
導体層上に投射する投射光学系（６）と、前記光の照射
面内で温度の低い点を設ける手段（位相シフトマスク
８）と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段
（Ｘ、Ｙ方向に走査可能な基板ステージもしくは光の走
査手段（これらは図示省略））とを有することを特徴と
する。また、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置
は、請求項５に対応し、前記振幅変調手段（振幅変調マ
スク５）が、光吸収マスクであることを特徴とする。ま
た、本実施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、請求項
６に対応し、前記温度の低い点を設ける手段が、位相シ
フトマスク（８）であることを特徴とする。また、本実
施の形態１の半導体薄膜の形成装置は、請求項１０に対
応し、前記振幅変調手段（振幅変調マスク５）と前記温
度の低い点を設ける手段（位相シフトマスク８）との位
置合わせを行う位置合わせ手段（公知技術なので図示省
略）を有することを特徴とする。また、本実施の形態１
の半導体薄膜の形成装置は、請求項１１に対応し、前記
位置合わせ手段が、アライメント用レーザビームとアラ
イメントマーク（これらは公知技術なので図示省略）を
用いた位置合わせ手段であることを特徴とする。
【００１０】実施の形態２ 図３（ａ）は、本発明の実施の形態２を説明する図、図
３（ｂ）は、図３（ａ）の振幅変調マスク５を作製する
のに用いる、Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収
端波長を示す図である。１８は光吸収ドット、１９は光
吸収ドット１８を有するマスクである。本実施の形態２
は、実施の形態１の図２（ａ）の結晶成長の起点１４を
生成する手段として、光吸収ドット１８を有するマスク
１９を、図３（ａ）に示す位置（実施の形態１の位相シ
フトマスク８と同様の位置）に設けた例である。この光
吸収ドット１８を有するマスク１９も、図３（ｂ）に示
すように、例えばＫｒＦレーザの場合は、Ｓｉ（Ｏ，
Ｎ）系薄膜で、ＸｅＣｌレーザの場合は、Ｓｉ（Ｏ，
Ｃ）系もしくはＳｉ（Ｏ，Ｎ，Ｃ）系薄膜によって、作
製が可能である。図２（ａ）のレーザ照射時の温度分布
１６に示したのと同様のレーザ照射時の温度分布１６の
ように、Ｙ方向の中央部で、かつ、Ｘ方向の原点に、低
温の部分を生じさせることができる。その結果、図３
（ａ）に示すような結晶成長の起点１４を生じさせるこ
とができ、実施の形態１と同様に、約５〜１０μｍ程度
のラテラル成長を実現できる。なお、本実施の形態２の
半導体薄膜の形成装置は、請求項７に対応し、前記温度
の低い点を設ける手段が、光吸収ドット（１８）を有す
るマスク（１９）であることを特徴とする。
【００１１】実施の形態３ 図４（ａ）は、本発明の実施の形態３を説明する図、図
４（ｂ）は、図４（ａ）の光吸収ドット１８を有する位
相シフトマスク２３を作製するのに用いる、Ｓｉ（Ｏ，
Ｃ，Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
本実施の形態３は、図１に示した構成において、振幅変
調マスク５をなくす代わりに、図４（ａ）に示すような
位相シフトマスク２３（図２の位相シフトマスク８を９
０度回転させたもの）の段差上あるいはその間近に、図
３に示した光吸収ドット１８（ＫｒＦレーザの場合は、
Ｓｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系薄膜からなる）を設けたマスクを
配置することによっても、上記実施の形態１、２と同様
の結晶成長を生じさせることができる。通常、ホモジナ
イザで均一化されたエキシマレーザ光では、位相シフト
マスクによって光強度変調ができない。しかし、実際に
行った実験では、ガラス基板９と、上記ラテラル成長を
制御するマスク２３との距離を１ｍｍ以下に配置するこ
とで、図３（ａ）に示したレーザ照射時の温度分布１６
のような温度分布をガラス基板９上に生成できることが
わかった。
【００１２】なお、本実施の形態３の半導体薄膜の形成
方法は、本発明の特許請求の範囲の請求項２に対応す
る。すなわち、絶縁材からなる基層（非晶質基板８）上
に、非単結晶半導体層（９）を形成し、上記非単結晶半
導体層に（エキシマレーザ１から出射される）光を照射
し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単
結晶半導体層を結晶化する半導体薄膜の形成方法におい
て、（ホモジナイザ３によって）前記光の光強度分布を
均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅が、
前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するよ
うに（位相シフトマスク２３によって）振幅変調を行
い、（光吸収ドット１８によって）前記光の照射面内で
温度の低い点を設け、結晶成長の起点（１４）を生成
し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結
晶を形成して単結晶領域（１５）を形成することを特徴
とする。また、本実施の形態３の半導体薄膜の形成装置
は、本発明の特許請求の範囲の請求項４に対応する。す
なわち、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を
形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と
前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層
を結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を
発する光源（エキシマレーザ１）と、前記光源から発せ
られる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ（３）
と、前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化され
た光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向
きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段（位相
シフトマスク２３）と、前記光の照射面内で温度の低い
点を設ける手段（光吸収ドット１８）と、前記光と前記
基層とを相対的に動かす手段（Ｘ、Ｙ方向に走査可能な
基板ステージもしくは光の走査手段（これらは図示省
略））とを有することを特徴とする。すなわち、本実施
の形態３においては、前記振幅変調手段によって振幅が
変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶
半導体層上に投射する投射光学系（６）が不要である。
また、本実施の形態３の半導体薄膜の形成装置は、請求
項９に対応し、前記振幅変調手段および前記温度の低い
点を設ける手段が、光吸収ドット（１８）を有する位相
シフトマスク（２３）であることを特徴とする。
【００１３】実施の形態４ 図５（ａ）は、本発明の実施の形態３を説明する図、図
５（ｂ）は、図５（ａ）の一部拡大詳細図である。図５
（ａ）において、４はラインビーム（均一化レーザ
光）、７は均一化され、振幅変調され、投射されたライ
ンビーム、８は位相シフトマスク、９は非晶質基板、１
０は非単結晶半導体層、１１は結晶化半導体層、２０は
非晶質基板９（すなわち、図示省略する基板ステージ）
の送りピッチである。なお、図５（ａ）においては、エ
キシマレーザ１、出射ビーム２、ホモジナイザ３、光吸
収マスクからなる振幅変調マスク５、投射光学系６は図
示省略している。図５（ｂ）において、１２は単結晶ア
レイ、２０は送りピッチ、矢印Ｃはラテラル成長方向で
ある。前述の第２の従来技術における問題点は、図９
（ｂ）に示した結晶化アレイにおいて、結晶化領域の面
内の占有面積率が低いことと、結晶成長の起点８８が、
いつも結晶化初期膜、例えばアモルファスシリコンの相
に隣接しているため、結晶化の駆動力の第一要因は冷却
過程に支配されたものであり、面内の微量な不純物や、
膜と基板の界面の状態のバラツキに敏感に依存し、再現
性が得られにくかった点である。そこで、本実施の形態
３においては、図１（ａ）に示したような装置構成にお
けるステージの送り機構（図示省略）により、結晶化の
ラテラル成長が期待できる距離より少し短めの、例えば
約５μｍの送りピッチ２０で、非晶質基板９を矢印Ａ方
向に搬送する。この方式を用いることによって、結晶化
領域の面内の占有面積率を高め、かつ、再現性を向上さ
せた単結晶アレイ１２を形成することができる。結果的
には、アレイというより、帯状（リボン状）の単結晶領
域を形成できる。図６は、本実施の形態４をさらに詳細
に説明する図である。２１はプライマリーショット（第
１のショット。単結晶粒）、２２は次ショット（第２の
ショット）である。前述の第２の従来技術において得ら
れる単結晶粒は、例えばアモルファスシリコンからなる
結晶化初期膜において、図６に示すプライマリーショッ
ト２１で得られる単結晶粒と同様である。すなわち、図
６に示した結晶成長の起点１４からラテラル成長方向Ｃ
にラテラル成長を生じるが、このラテラル成長は、結晶
化の初期過程によってほとんど支配される。結晶化の初
期過程は、冷却の過程で確率的に核形成が行われ、ラテ
ラル成長へと移って行く。第２の従来技術においては、
上記のプライマリーショット２１で形成される単結晶粒
は、それぞれ独立な確率過程によって形成されるもので
あり、再現性、均一性において課題がある。一方、本実
施の形態３の結晶化方式においては、図６に示すごと
く、プライマリーショット２１で形成された単結晶粒の
一部を重ね合わせるようにして、次ショット２２、さら
に次ショット（図示省略）と繋げて結晶化していく。最
初のプライマリーショット２１においては、確率過程が
支配する要因が強く支配するが、次ショット２２以降に
おいては、すでに結晶化された領域と結晶成長の起点１
４が接しているために、すでに結晶成長のための種（シ
ード）が存在していることになり、ラテラル成長はその
種をもとに成長する。すなわち、シリコンの溶融−凝固
の準平衡状態からの成長に支配され、再現性、均一性が
飛躍的に改善されることになる。このように、単結晶化
領域１５の高密度化のために、実施の形態１で述べた光
源の概念を用いることによりビームの成形・変形が可能
となるので、振幅変調マスク５、位相シフトマスク８、
およびラテラル成長の距離程度のステップ アンド リピ
ートにより帯状の単結晶領域を形成する。なお、本実施
の形態３の半導体薄膜の形成方法は、請求項３に対応
し、前記成長の距離程度のピッチ（送りピッチ２０）
で、前記光と前記基層とを相対的に動かし、先行する第
１のショット（２１）に、前記第１のショットに引き続
く第２のショット（２２）を一部重ね合わせ、帯状の単
結晶領域を形成することを特徴とする。以上本発明を実
施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記
実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。例えば、前記実施の形態１〜３では、絶縁材からな
る基層として、ガラス基板等の非晶質基板９を用いた
が、これに限定されないことは言うまでもなく、例え
ば、セラミック、プラスチック等の各種の透明または不
透明な絶縁物質製の基層を使用することができる。ま
た、該基層上に設ける非単結晶半導体層としては、非晶
質半導体層を形成してもよいし、あるいは、すでに微小
粒径の単結晶が形成されている多結晶半導体層を形成
し、それを再結晶化させて本発明による半導体薄膜を形
成してもよい。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガラス基板等の非晶質基板上に、任意の位置に任意のピ
ッチで単結晶領域を形成できる技術が可能となり、要求
される回路のスペックから決定される半導体薄膜の性能
や設計ルールに応じて適応可能な単結晶アレイ形成の基
盤技術を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１の半導体薄膜の
形成方法および装置を説明する図、（ｂ）は（ａ）の一
部拡大詳細図である。
【図２】（ａ）は図１（ａ）のさらに具体的な構成を示
す図、（ｂ）は振幅変調マスク作製用のＳｉ（Ｏ，Ｃ，
Ｎ）系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態２を説明する図、
（ｂ）は振幅変調マスク作製用のＳｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）系
薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態３を説明する図、
（ｂ）は位相シフトマスク作製用のＳｉ（Ｏ，Ｃ，Ｎ）
系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明の実施の形態３を説明する図、
（ｂ）は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【図６】本実施の形態３をさらに詳細に説明する図であ
る。
【図７】第１の従来技術を説明する図である。
【図８】図６の第１の従来技術における光学系を示す図
である。
【図９】（ａ）は第２の従来技術を説明する図、（ｂ）
は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【図１０】第２の従来技術におけるレーザ照射光学系を
示す図である。
【図１１】（ａ）は第２の従来技術における光変調光学
系を示す図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大詳細図である。
【符号の説明】
１…エキシマレーザ（光源） ２…出射ビーム ３…ホモジナイザ ４…ラインビーム（均一化レーザ光） ５…振幅変調マスク ６…投射光学系 ７…ラインビーム ８…位相シフトマスク ９…非晶質基板 １０…非単結晶半導体層 １１…結晶化半導体層 １２…単結晶アレイ １３…振幅変調後の光強度分布 １４…結晶成長の起点 １５…単結晶領域 １６…レーザ照射時の温度分布 １７…融点 １８…光吸収ドット １９…マスク ２０…送りピッチ ２１…プライマリーショット（第１のショット） ２２…次ショット（第２のショット） ２３…位相シフトマスク Ａ…基板走査方向 Ｂ…基板走査方向に垂直な方向 Ｃ…ラテラル成長方向 ７１…エキシマレーザ ７２…出射ビーム ７３…ホモジナイザ ７４…ラインビーム（均一化レーザ光） ７５…非晶質基板 ７６…非単結晶半導体層 ７７…多結晶化半導体層 ８１…フライアイレンズ ８２…投射光学系 ９０…エキシマレーザ光 ９１…エキシマレーザ ９２…出射ビーム ９３…ビーム強度変換光学系 ９４、９５…位相シフトマスク ９６…非晶質基板 ９７…非単結晶半導体層 ９８…結晶成長の起点 ９９…単結晶粒 １００…マスク（絞り）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 嘉伸 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社液晶先端技術開発センター内 (72)発明者 十文字 正之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社液晶先端技術開発センター内 (72)発明者 谷口 幸夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社液晶先端技術開発センター内 (72)発明者 平松 雅人 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社液晶先端技術開発センター内 (72)発明者 中野 文樹 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社液晶先端技術開発センター内 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA02 BA07 BA12 BA18 BB07 CA04 CA07 CA10 DA02 FA03 FA04 JA01

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体
    層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記
    光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導
    体層を結晶化する半導体薄膜の形成方法において、 前記光の光強度分布を均一化し、 前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前
    記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変
    調を行い、 前記振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前
    記非単結晶半導体層上に投射し、 前記光の照射面内で温度の低い点を設け、結晶成長の起
    点を生成し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に
    沿って結晶を形成して単結晶領域を形成することを特徴
    とする半導体薄膜の形成方法。
  2. 【請求項２】絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体
    層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記
    光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導
    体層を結晶化する半導体薄膜の形成方法において、 前記光の光強度分布を均一化し、 前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前
    記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変
    調を行い、 前記光の照射面内で温度の低い点を設け、結晶成長の起
    点を生成し、前記光の前記基層に対する相対運動方向に
    沿って結晶を形成して単結晶領域を形成することを特徴
    とする半導体薄膜の形成方法。
  3. 【請求項３】前記成長の距離程度のピッチで、前記光と
    前記基層とを相対的に動かし、先行する第１のショット
    に、前記第１のショットに引き続く第２のショットを一
    部重ね合わせ、帯状の単結晶領域を形成することを特徴
    とする請求項１または２記載の半導体薄膜の形成方法。
  4. 【請求項４】絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体
    層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記
    光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導
    体層を結晶化する半導体薄膜の形成装置において、 前記光を発する光源と、 前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホ
    モジナイザと、 前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光
    の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに
    増加するように振幅変調を行う振幅変調手段と、 前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記
    基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する
    投射光学系と、 前記光の照射面内で温度の低い点を設ける手段と、 前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有するこ
    とを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
  5. 【請求項５】前記振幅変調手段が、光吸収マスクである
    ことを特徴とする請求項４記載の半導体薄膜の形成装
    置。
  6. 【請求項６】前記温度の低い点を設ける手段が、位相シ
    フトマスクであることを特徴とする請求項４記載の半導
    体薄膜の形成装置。
  7. 【請求項７】前記温度の低い点を設ける手段が、光吸収
    ドットを有するマスクであることを特徴とする請求項４
    記載の半導体薄膜の形成装置。
  8. 【請求項８】絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体
    層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記
    光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導
    体層を結晶化する半導体薄膜の形成装置において、 前記光を発する光源と、 前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホ
    モジナイザと、 前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光
    の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに
    増加するように振幅変調を行う振幅変調手段と、 前記光の照射面内で温度の低い点を設ける手段と、 前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有するこ
    とを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
  9. 【請求項９】前記振幅変調手段および前記温度の低い点
    を設ける手段が、光吸収ドットを有する位相シフトマス
    クであることを特徴とする請求項８記載の半導体薄膜の
    形成装置。
  10. 【請求項１０】前記振幅変調手段と前記温度の低い点を
    設ける手段との位置合わせを行う位置合わせ手段を有す
    ることを特徴とする請求項４または８記載の半導体薄膜
    の形成装置。
  11. 【請求項１１】前記位置合わせ手段が、アライメント用
    レーザビームとアライメントマークを用いた位置合わせ
    手段であることを特徴とする請求項１０記載の半導体薄
    膜の形成装置。
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