JP2003318240A - 結晶化Ｓｉ膜の評価方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶化Ｓｉ膜における結晶粒分布の規則性の
評価を簡易に行なうことができず、良好なレーザ光をＳ
ｉ膜に照射して、均一かつ適正な規則性の結晶を基板の
全面に簡易に形成することができない。 【解決手段】 レーザ光４により結晶化した結晶化Ｓｉ
膜３３の表面に、結晶化Ｓｉ膜３３平面からの法線ｚｎ
と入射角αをなす平行光３１を入射させ、この平行光３
１による結晶化Ｓｉ膜３３の表面からの回折光３２を、
前記法線ｚｎと回折角βをなす位置で検出する結晶化Ｓ
ｉ膜の評価方法であつて、入射角α及び回折角βの範囲
は、共に０°以上９０°以下に限定し、回折光３２のス
ペクトル強度から、結晶化Ｓｉ膜３３における結晶粒分
布の規則性を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶化Ｓｉ膜の評
価方法及びその装置に関し、液晶表示装置に用いられる
薄膜トランジスターの結晶化シリコンの製造や、ポリイ
ミドなどの合成樹脂を加工する際に、レーザ光を利用し
て製造される結晶化Ｓｉ膜の評価方法及びその装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】例えば、液晶表示画面に用
いられる薄膜トランジスターの結晶化Ｓｉ膜の作製に際
し、ラインビームからなるレーザ光をアモルファス・シ
リコン膜（以下ａ−Ｓｉ膜という。）に照射する方法が
知られている。これは、図８に示すように、パルス発振
動作のエキシマレーザ光を発生させるレーザ発振器１０
で生じさせたレーザ光１を、アッテネータ１１によつて
エネルギーを自動設定した後、光学系容器９内に導き、
反射ミラー７で方向転換させ、図９に示すように複数本
のシリンドリカル・レンズを稜線２ｃが平行になるよう
に並べた長軸ホモジナイザー２ａと、長軸ホモジナイザ
ー２ａと稜線方向が直交する短軸ホモジナイザー２ｂを
通して、強度分布を矩形状に均一化させた後、再度、反
射ミラー８で方向転換させ、集光レンズ３を通すことに
より、長軸×短軸を約２００×０．４ｍｍの方形のライ
ンビーム４に整形し、このラインビーム４をａ−Ｓｉ膜
５ａを有する基板５に照射している。基板５は、レーザ
発振器１０と光学系容器９及び照射室を備えるレーザア
ニール装置の真空の照射室内に設置されている。

【０００３】この基板５は、ガラス基板６上に薄いａ−
Ｓｉ膜５ａを形成したもので、このａ−Ｓｉ膜５ａに、
ラインビーム４を照射することで、ａ−Ｓｉ膜５ａを結
晶化して薄いポリ・シリコン膜３３（以下ｐ−Ｓｉ膜と
いう。）としている。ガラス基板６は大きいもので７３
０×９２０ｍｍあり、ガラス基板６上のａ−Ｓｉ膜５ａ
の全面を結晶化するために、ラインビーム４の１ショッ
トあたり、ラインビーム短軸幅の５〜１０％の送りピッ
チでガラス基板６をラインビーム４の短軸の方向に間欠
的に移動させる。短軸幅０．４ｍｍのとき送りピッチは
２０〜４０μｍであり、ａ−Ｓｉ膜５ａに対する1 箇所
当たりのレーザ光の照射回数は１０〜２０回である。

【０００４】ここで、レーザ光１のパルス幅（レーザ光
１発の発振時間）は一般に数〜数十ｎｓ、発振周波数は
数百Ｈｚ以下であるため、レーザ光１つまりラインビー
ム４のａ−Ｓｉ膜５ａへの照射が数〜数十ｎｓ行われた
後、数ｍｓの比較的長時間の間隔が開いて、再び数〜数
十ｎｓの照射が行われている。ａ−Ｓｉ膜５ａへのレー
ザ光１の複数回の照射を行うことで、結晶が成長する。
この結晶の成長は、1回目の照射で発生した結晶粒が、2
回目以降の照射により結合して大きくなるものと考え
られている。この結晶の成長のためには、ａ−Ｓｉ膜基
板５が冷却（常温）の状態から溶融温度近傍まで上昇す
るように、レーザ光１の照射を実施する必要がある。

【０００５】このような結晶化シリコン膜の作製におけ
るｐ−Ｓｉ膜３３の結晶性は、レーザ光１（ラインビー
ム４）の照射エネルギー密度に大きく依存し、エネルギ
ー密度が低すぎても、高すぎても良好に得られない。こ
のため、レーザ光１のエネルギー密度を変えて複数のｐ
−Ｓｉ膜３３を作製し、それらのｐ−Ｓｉ膜３３をＳＥ
Ｍ（走査型電子顕微鏡）等で直接観察し、その結果、結
晶性の良好なものから最適エネルギー密度を決定し、そ
のエネルギー密度により、ガラス基板６上のａ−Ｓｉ膜
５ａの全面を結晶化させる方法が一般に採られている。

【０００６】図１０に、ａ−Ｓｉ膜５ａに照射するレー
ザ光１（ラインビーム４）のエネルギー密度（ｍＪ／ｃ
ｍ² ）を変えたときの結晶化Ｓｉ膜３３のＳＥＭ写真を
示す。図１０から分かるように、エネルギー密度３７０
ｍＪ／ｃｍ² では微細な結晶粒が作製されており、エネ
ルギー密度３８０及び４１０ｍＪ／ｃｍ² では大きさ約
３００ｎｍの矩形の結晶粒が配列ないし分布の規則性を
持つて作製されている。一方、エネルギー密度４３５及
び４５０ｍＪ／ｃｍ² では、結晶粒は３００ｎｍ以上の
大きさであるが、周期性つまり配列・分布の規則性が見
られなかつた。一般に、ガラス基板６上の結晶化Ｓｉ膜
３３を薄膜トランジスター（以下、ＴＦＴという。）に
使用する場合、ＴＦＴ特性をガラス基板６上の全体で均
一にするために、エネルギー密度３８０及び４１０ｍＪ
／ｃｍ² で照射した際に得られるような規則性のある結
晶粒が適正とされる。ここでは、特に４１０ｍＪ／ｃｍ
²で作製した結晶粒の規則性が良好であつた。

【０００７】このような、ＳＥＭによる評価方法では、
ｐ−Ｓｉ膜３３を小さく分割し、エッチング後、ＳＥＭ
観察を行う必要があり、その結果を得るには数時間を要
して煩雑であるのみならず、試料を破壊しなけらばなら
ないという課題がある。

【０００８】これに対し、結晶化Ｓｉ膜の評価方法とし
て、結晶化したＳｉ膜に光を照射してその反射率から結
晶性を評価する方法が提案されている（特開平１０−３
００６６２号）。この方法は、ＥＬＡ（エキシマレーザ
アニール）工程の後に設置され、試料に垂直入射させた
光の反射率の内、特定の波長での反射スペクトルの傾き
から結晶性を評価する。従つて、結晶性と反射率との関
係を予め計測しておく必要がある。

【０００９】また、半導体膜の表面にレーザ光を照射さ
せ、当該半導体膜の表面からの散乱光の強度を計測し、
該散乱光の強度に基づいて前記半導体膜の表面の凹凸状
態を判定する方法も提案されている（特開２００１−１
１０８６１）。この判定方法は、短時間のうちに非破壊
で半導体膜の膜質を評価できるので、ＴＦＴの製造工程
においてインラインで評価を行い、正常な膜質の多結晶
性の半導体膜を形成した基板のみを後工程に回すことが
できる、としている。

【００１０】しかしながら、前記垂直入射させた光の反
射率から結晶性を評価する方法にあつては、Ｓｉ膜の結
晶粒径を直接求めるものではなく、Ｓｉ膜の評価を簡易
かつ正確に行なうことが困難であるのみならず、予め反
射率と結晶性との関係を子細に評価しておく必要がある
ため、ｐ−Ｓｉ膜の結晶性をＳＥＭで詳細に評価してお
かなければならない。加えて、特定領域の波長での反射
率の傾きを求める場合、その傾きが現れないこともあ
り、傾きから結晶性を必ずしも評価することができな
い。

【００１１】また、レーザ光の散乱光の強度に基づいて
半導体膜の表面の凹凸状態を判定する方法にあつては、
Ｓｉ膜の結晶粒径を直接求めるものではなく、より確実
な結晶性の評価のために、短波長及び長波長の散乱光の
強度を比較して凹凸状態を判定するものであるため、測
定結果の良否判定が困難であり、Ｓｉ膜の評価を簡易か
つ正確に行ない得ない。

【００１２】以上から、本発明は、結晶化Ｓｉ膜におけ
る結晶粒の分布の規則性の評価を簡易に行ない、ひいて
は、良好なエネルギー密度のレーザ光をＳｉ膜に照射し
て、均一かつ適正な規則性を有する結晶を基板の全面に
形成することを可能にすることを第１の目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような従
来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、
次の通りである。請求項１の発明は、レーザ光４により
結晶化した結晶化Ｓｉ膜３３の表面に、結晶化Ｓｉ膜３
３平面からの法線ｚｎと入射角αをなす平行光３１を入
射させ、この平行光３１による結晶化Ｓｉ膜３３の表面
からの回折光３２を、前記法線ｚｎと回折角βをなす位
置で検出する結晶化Ｓｉ膜の評価方法であつて、入射角
α及び回折角βの範囲を、共に０°以上９０°以下に限
定して正反射光３５を含まない回折光３２を得、回折光
３２のスペクトル強度から、結晶化Ｓｉ膜３３における
結晶粒の分布の規則性を評価することを特徴とする結晶
化Ｓｉ膜の評価方法である。請求項２の発明は、回折光
３２のスペクトルのピークを示す波長λを測定し、結晶
粒の大きさＤを、回折条件式から導かれる次式、 Ｄ＝λ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ） により算出することを特徴とする請求項１の結晶化Ｓｉ
膜の評価方法である。請求項３の発明は、結晶化に適す
る回折光３２のスペクトル強度及び波長を決定した後、
レーザ光４により結晶化した直後の結晶化Ｓｉ膜３３か
らのスペクトル強度及び波長を常時監視し、所定波長の
該スペクトル強度の値が所定範囲になるように、レーザ
光４のエネルギー密度を制御することにより、結晶粒の
分布の規則性を所定範囲に保つことを特徴とする請求項
１又は２の結晶化Ｓｉ膜の評価方法である。請求項４の
発明は、レーザ光４により結晶化した結晶化Ｓｉ膜３３
の表面に、結晶化Ｓｉ膜３３平面からの法線ｚｎと入射
角αをなす平行光３１を入射させ、この平行光３１によ
る結晶化Ｓｉ膜３３の表面からの回折光３２を、前記法
線ｚｎと回折角βをなす位置で検出する結晶化Ｓｉ膜の
評価方法であつて、入射角α及び回折角βの範囲を、共
に０°以上９０°以下に限定して正反射光３５を含まな
い回折光３２を得ると共に、結晶化Ｓｉ膜３３に入射さ
せる平行光３１の入射位置及び入射角αを固定した状態
で、該平行光３１の結晶化Ｓｉ膜３３への入射位置回り
の回転角度θを相対変化させ、複数の回転角度θの位置
における回折光３２のスペクトル強度及び波長から、結
晶化Ｓｉ膜３３の結晶粒の配列方向及び結晶粒の分布の
規則性の内の少なくとも１つを評価することを特徴とす
る結晶化Ｓｉ膜の評価方法である。請求項５の発明は、
レーザ光４により結晶化した結晶化Ｓｉ膜３３の表面
に、結晶化Ｓｉ膜３３平面からの法線ｚｎと入射角αを
なす平行光３１を入射させる光源４１，４２と、この平
行光３１による結晶化Ｓｉ膜３３の表面からの回折光３
２を、前記法線ｚｎと回折角βをなす位置で受光すると
共にスペクトルを示す分光器４６とを備える結晶化Ｓｉ
膜の評価装置であつて、入射角α及び回折角βの範囲
は、共に０°以上９０°以下に限定して正反射光３５を
含まない回折光３２を得、回折光３２のスペクトル強度
から、結晶化Ｓｉ膜３３における結晶粒の分布の規則性
を評価することを特徴とする結晶化Ｓｉ膜の評価装置で
ある。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１〜図７は、本発明に係る結晶
化Ｓｉ膜の評価装置の１実施の形態を示す。先ず、ガラ
ス基板６上のｐ−Ｓｉ膜３３つまり結晶化Ｓｉ膜は、レ
ーザ光１を利用して図８，図９に示す従来例と同様に製
造される。すなわち、ガラス基板６上の薄いａ−Ｓｉ膜
５ａに、ラインビーム４を照射することで、ａ−Ｓｉ膜
５ａを結晶化して薄い結晶化Ｓｉ膜３３とする。

【００１５】このｐ−Ｓｉ膜３３は、規則性のある結晶
粒を有していることの評価を行いながら作製する。この
ために、図１に示すように、ｐ−Ｓｉ膜３３に対して平
行光３１を入射角αで入射させる。この平行光３１は、
ｐ−Ｓｉ膜３３の表面に存在するいくつかの突起３８に
おいて回折現象を生じ、回折光３２を発生する。この回
折光３２は、球面波で形成されるので、所定の回折角β
の位置で検出して、結晶粒の大きさＤ及び配列・分布の
規則性の優劣を判定する。結晶粒の大きさＤは、突起３
８で囲まれた１つの平坦部３９の大きさである。

【００１６】ここで、入射角α及び回折角βは、いずれ
も結晶化Ｓｉ膜３３平面からの法線ｚｎとなす角であ
り、その範囲を、共に０°以上９０°以下に限定して正
反射光３５を含まない回折光３２を得る。図１に示すよ
うに結晶化Ｓｉ膜３３の平坦部３９に光３１をあてる
と、反射の法則に従う角度方向（−α）に正反射光３５
が進む。一方、数十ｎｍの突起３８が無数にある結晶化
Ｓｉ膜３３の結晶粒界では、入射光（３１）は回折して
球面波を形成し、この球面波の波面が互いに強めう角度
方向つまり回折角βに平面波からなる回折光３２を形成
する。回折角βは、回折光３２の次数をｎとし、突起間
隔（すなわち結晶粒の大きさに相当する）をＤとした場
合、回折条件式Ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｎλを満た
す角度である。

【００１７】このような回折光３２の検出を正反射光３
５の方向−αもしくはその近傍で行うと、回折光３２の
スペクトル強度に比べて正反射光３５のスペクトル強度
の方が非常に高いため、重畳した二つのスペクトル成分
から回折光３２のスペクトル成分のみを分離することは
困難である。そこで、回折光３２のスペクトルのみを精
度良く検出するために、α及びβを共に0 °以上９０°
以下に限定し、正反射光３５を含まない回折光３２を得
るようにする。

【００１８】従つて、図１に示す正面視で、入射角αで
平行光３１を入射させるとき、結晶化Ｓｉ膜３３の平面
からの法線ｚｎに対し、入射光３１と同一側で回折光３
２を計測する。

【００１９】このようにして、スペクトルが連続である
平行光３１を入射し、ｐ−Ｓｉ膜３３の結晶粒界にある
いくつかの突起３８（数十ｎｍ）で発生した回折光３２
を計測することで、入射角α、回折角β及び回折光３２
のスペクトル波長λは既知の値となり、回折条件式Ｄ
（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｎ・λ（ｎは回折光の次数）
より導かれるＤ＝ｎ・λ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）なる
式によつて、結晶粒の大きさＤを瞬時に算出することが
できる。これにより、ｐ−Ｓｉ膜３３の結晶粒の配列・
分布の規則性の優劣及び結晶粒の大きさＤの適否を短時
間で評価し、規則性のある結晶粒を形成し、ＴＦＴに最
適な大きさＤのｐ−Ｓｉ膜３３を得ることができる。

【００２０】実際には、図２に示すように、大きさＤの
結晶粒を有するｐ−Ｓｉ膜３３に対して評価装置を配置
する。この評価装置により、図１０のＳＥＭ写真に示さ
れる照射エネルギー密度４１０ｍＪ／ｃｍ² で結晶化し
た結晶化Ｓｉ膜３３に対し、エッチング前に結晶化Ｓｉ
膜３３の評価を行つた。

【００２１】評価装置は、光源（４１，４２）、レンズ
４４及び分光器４６を有する。光源は、ハロゲンランプ
によつて得られる連続光４１と照射用光ファイバー４２
とを有し、所定波長（λ＝３８０〜８００ｎｍ）の連続
光４１が照射用光ファイバー４２に導かれ、光ファイバ
ー４２の先端から出る光がレンズ４４によつて平行光３
１とされ、Ｓｉ膜３３に入射角αにて入射し、Ｓｉ膜３
３上で回折角βにて回折した平行光からなる回折光３２
を生ずる。この回折光３２がレンズ４４によつて集束さ
れ、受光用光ファイバー４５に導かれて分光器４６に入
り、表示装置４７にスペクトルが表示されるので、最大
のピーク強度が得られる波長（λｍａｘ）を知ることが
できる。

【００２２】平行光３１の結晶化Ｓｉ膜３３への照射方
向は、ＳＥＭ写真において、縦方向をｙ方向、横方向を
ｘ方向とした場合、ｘ方向に相当する方向からとした。
なお、照射した矩形をなすラインビーム４の長軸がｘ方
向であり、短軸がｙ方向である。

【００２３】しかして、結晶化Ｓｉ膜３３に、波長λが
約３８０〜８００ｎｍの連続スペクトル光４１を照射用
光ファイバー４２で伝送し、光ファイバー４２の出射口
から２１ｍｍの位置に配置した焦点距離ｆ＝２１ｍｍの
凸レンズ４４によつて平行光３１となし、レンズ４４か
らｖ＝９５ｍｍの距離に保つた結晶化Ｓｉ膜３３に、入
射角α＝45°で平行光３１を照射した。

【００２４】一方、結晶化Ｓｉ膜３３の表面からの回折
光３２を先の凸レンズ４４を透過させ、照射用光ファイ
バー４２からｕ＝０．２ｍｍだけ平行に離れた位置にあ
る受光用光ファイバー４５に角度２δで入射させた。こ
こで、ｕはｖに比べて充分に小さい（０．２／９５＝
０．００２＝２ｍｒａｄ）ため、回折光３２の回折角β
を照射した平行光３１の入射角αと同じβ＝α＝45°と
みなした。

【００２５】このような条件で分光器４６を用いて測定
したスペクトルを、３００〜８００ｎｍの波長範囲で図
３に示す。図３において破線で示す回折光３２のスペク
トルは、波長４２２ｎｍにおける鋭いピークがある。他
の波長域の連続スペクトルは、照射した平行光３１が結
晶化Ｓｉ膜３３の表面で乱反射して受光用光ファイバー
４５に検出された成分である。参照のため、同様の測定
をレーザ照射前のａ−Ｓｉ膜５ａに対して行つた場合の
結果も同じグラフ上に実線で示した。

【００２６】この鋭いピークを伴う結果から、結晶粒の
配列・分布に適当な規則性があることが分かるので、次
に結晶化Ｓｉ膜３３の結晶粒の大きさＤを算出する。先
ず、回折光３２の次数は、分光器４６での波長測定で４
２２ｎｍ（λｍａｘ）以外の波長に強いスペクトルが見
られなかつたことから、これが１次であり、ｎ＝１とす
る。従つて、結晶粒の大きさＤは、 Ｄ＝λ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝λ／（２ｓｉｎα）
＝４２２ｎｍ／(2×√2/2)＝４２２ｎｍ／√2 ＝２９
８．４ｎｍ となる。これは、ＳＥＭ写真より得られた結果と実質的
に同じであつた。

【００２７】理論的には、入射角αと回折角βの値は異
なつても問題ないが、レンズ４４が１つで照射する平行
光３１及び回折光３２の検出のための機構構成が簡素に
なるため、図２に示すような入射角αと回折角βとが事
実上同じ角度になる測定装置が望ましい。

【００２８】同様な計測を、図１０のＳＥＭ写真に示さ
れる他の照射エネルギー密度で結晶化された結晶化Ｓｉ
膜３３および同時に行つた他のエネルギー密度で結晶化
された結晶化Ｓｉ膜３３にも行つた。平行光３１の結晶
化Ｓｉ膜３３への照射方向は、ＳＥＭ写真において、縦
方向をｙ方向（短軸方向）、横方向をｘ方向（長軸方
向）とした場合、ｘ方向とｙ方向に相当する両方向から
とした。

【００２９】図４に各エネルギー密度における結晶化Ｓ
ｉ膜３３からの回折光３２のスペクトル強度を示す。縦
軸の単位は任意強度である。図４に丸印で示す特性は、
γ＝５°であり、四角印で示す特性は、γ＝９５°であ
る。γは、図７に示すように、平行光３１及び回折光３
２をｘｙ平面上に投影したときに、ｘ軸（ｘ方向）とな
す角度である。図１０のＳＥＭ写真の結果と比較してわ
かるように、スペクトル強度が高くなるにつれ、結晶化
Ｓｉ膜３３の結晶粒の配列・分布の規則性が増加してお
り、また、結晶粒の配列・分布の規則性は、ｙ方向（γ
＝９５°）よりもｘ方向（γ＝５°）の方が良好であ
り、ｘ方向とｙ方向で差異がでている点もはつきりとわ
かる。

【００３０】このように回折光３２のスペクトル強度の
強弱から、結晶化Ｓｉ膜３３の結晶粒の配列・分布の規
則性に関する優劣の知見を、簡便にかつ短時間で得るこ
とができる。勿論、Ｄ＝ｎ・λ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎ
β）なる式から、結晶粒の大きさＤを求めることもでき
る。なお、図４におけるピークを示すスペクトル波長
は、各エネルギー密度の結晶化Ｓｉ膜３３で、ｘ方向４
２２ｎｍ，ｙ方向４７３ｎｍであり、両者はほぼ同じで
あつた。従つて、結晶粒の大きさＤは、ｘ方向及びｙ方
向のいずれか一方で評価すれば、実用上の問題は生じな
い。

【００３１】上述したように、結晶化Ｓｉ膜３３に連続
スペクトル光を平行光３１にして照射し、そこから得ら
れる回折光３２のスペクトル強度及び波長より、結晶粒
の配列の規則性と結晶粒の大きさＤを短時間で評価でき
る。このため、実際のガラス基板６上への結晶化Ｓｉ膜
３３の量産中に、結晶化Ｓｉ膜３３の作製時間を延長す
ることなく、常時、基板状態の適否を監視することかで
きる。

【００３２】すなわち、予め、レーザ光（４）の使用で
きる照射エネルギー密度範囲内で、結晶化に最適な回折
光３２のスペクトル強度及び波長を決定しておけば、結
晶化Ｓｉ膜３３の形成直後、常に回折光３２のスペクト
ル強度及び波長を監視し、スペクトル強度及び波長を一
定に保つようにレーザ光（４）のエネルギー密度を制御
することにより、結晶粒配列の規則性を一定範囲に保つ
て結晶化Ｓｉ膜３３を作製することができる。回折光３
２のスペクトル強度及び波長が変化する原因としては、
レーザ発振器１０やホモジナイザー２ａ，２ｂ、反射ミ
ラー７，８及び集光レンズ３からなる光学系の特性が変
化した場合がある。勿論、上記式から結晶粒の大きさＤ
を求め、結晶粒の大きさＤを一定範囲に保ちながら結晶
化Ｓｉ膜３３を作製することもできる。

【００３３】なお、回折光３２のスペクトル強度及び波
長を一定に保つために必要なレーザ光（４）のエネルギ
ー密度が、アッテネータ１１によつて設定・使用できる
エネルギー密度範囲を逸脱した場合には、自動的又は手
動により結晶化Ｓｉ膜３３の作製装置を停止させること
もできる。これにより、不良率の低減を図ることができ
る。

【００３４】ところで、図４から分かるように、結晶化
Ｓｉ膜３３においては、結晶粒の配列・分布の規則性が
方向により異なる。このため、図５に示すように、平行
光３１の結晶化Ｓｉ膜３３への入射位置（図５のＯ位置
付近）と入射角αを固定した状態で、結晶化Ｓｉ膜３３
のｘ軸（ｘ方向）に対する回転角度θの方向を相対変化
させ、複数の変化位置における回折光３２のスペクトル
強度及び波長の変化を調べることにより、結晶粒の配列
方向を知ることができる。回折光３２のスペクトル強度
及び波長の変化を調べることにより、各方向での結晶粒
の規則性や大きさＤを知ることもできる。

【００３５】この結晶粒の配列方向の評価方法を、結晶
化Ｓｉ膜３３に適用した結果の一例を図６に示す。この
ときも入射角α及び回折角βは４５°とし、当初、図５
に示すようにｘ軸とｚ軸とを含む面上で法線ｚｎとなす
入射角α＝４５°を固定し、その状態が回転角度θの零
とし、その後、結晶化Ｓｉ膜３３をｚ軸を中心（Ｏ位
置）として相対回転させ、平行光３１の結晶化Ｓｉ膜３
３への入射位置回りの回転角度θを次第に相対変化させ
ながら、各角度θ位置における回折光３２のスペクトル
強度及び波長の変化を調べた。

【００３６】図６に示されるとおり、0 °≦θ≦10°の
範囲において、回折光３２のスペクトルの適当な強度の
ピークが波長λ＝４２６ｎｍで検出され、また、９０°
≦θ≦１１０°の範囲において、回折光３２のスペクト
ルの別の適当な強度のピークが波長λ＝４６８ｎｍで検
出された。それ以外の回転角度θの位置では、回折光３
２のスペクトルのピークは検出されなかつた。波長λ＝
４２６ｎｍにおける回折光３２のスペクトル強度の最大
はθ＝ 5°のときであり、また、波長λ＝４６８ｎｍに
おける回折光３２のスペクトル強度の最大はθ＝９５°
のときであり、これらが結晶粒の配列・分布の方向であ
ることが分かる。

【００３７】また、この結果を回折条件式から導かれる
Ｄ＝ｎ・λ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）なる式に適用し
て、ｘ軸に対して５°傾いた軸に沿う方向では、結晶粒
が３０１ｎｍごとに規則性を持つて配列され、また、同
様に、９５°傾いた軸に沿う方向では、結晶粒が３３１
ｎｍごとに規則性を持つて配列されていると評価され
る。更に、回折光３２のスペクトルの強度は、波長λ＝
４２６ｎｍの方が波長λ＝４６８ｎｍに比べて約４倍高
いことから、結晶粒の配列の規則性は、ｘ軸に対し5 °
傾いた軸に沿う方向の方が高いと評価できる。図７に評
価した結晶化Ｓｉ膜３３のイメージを示す。但し、結晶
粒の配列・分布の規則性の良否は、ｘ方向（ｘ軸方向）
つまり0 °≦θ≦10°の範囲及びｙ方向（ｙ軸方向）つ
まり９０°≦θ≦１１０°の範囲のいずれか一方で評価
すれば、実用上の問題は生じない。すなわち、結晶粒の
配列ないし分布に適当な規則性があることは、所定範囲
の回転角度θ（0 °≦θ≦10°及び９０°≦θ≦１１０
°）での、鋭いピークを伴うスペクトル強度の大きさか
ら、評価することが可能である。

【００３８】この配列方向の評価方法を用いれば、スペ
クトルのピークが見られる平行光の基板５に対する狭い
回転角度θ内での最大強度から、結晶化Ｓｉ膜３３の結
晶粒の配列・分布の方向が評価できるのみならず、スペ
クトルの同一波長に現れる強度の大きさから結晶粒の配
列・分布の規則性の有無が分かり、更には結晶粒の大き
さＤが、短時間で分かり、これらの適否を結晶化Ｓｉ膜
３３を損なうことなく、直ちに評価することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明によつて理解されるように、
本発明に係る結晶化Ｓｉ膜の評価方法及びその装置によ
れば、次の効果を奏することができる。結晶化Ｓｉ膜に
おける結晶粒の配列ないし分布の規則性の評価を簡易に
行ない、ひいては、良好なエネルギー密度のレーザ光を
Ｓｉ膜に照射して、均一かつ適正な規則性を有する結晶
を基板の全面に形成することができる。

【００４０】請求項２によれば、結晶化Ｓｉ膜の結晶粒
の大きさＤが求まるので、更に良質な結晶を基板の全面
に形成することができる。

【００４１】請求項３によれば、レーザ光を照射して結
晶化Ｓｉ膜を作製しながら、レーザ光のエネルギー密度
を制御し、予め決定した結晶化に適する回折光のスペク
トル強度及び波長を得る。これにより、レーザ光を照射
して結晶化Ｓｉ膜を作製しながら、均一かつ適正な規則
性を有する結晶を基板の全面に無駄なく形成することが
できる。

【００４２】請求項４によれば、結晶化Ｓｉ膜の結晶粒
の分布の規則性を評価することにより、上述した効果を
奏することができる。また、結晶化Ｓｉ膜の結晶粒の配
列方向を知ることにより、結晶粒界数又は粒界長の最小
になる配列方向にＴＦＴを作製し、結晶粒界において電
子の移動度が低下してＴＦＴの特性が悪化することを防
止して、ＴＦＴの品質を向上させることが可能になる。
また、結晶化Ｓｉ膜の結晶粒の配列方向を容易に知るこ
とができるので、結晶粒の配列方向が希望する方向にな
るように、レーザ光の照射方向を調整しながら結晶化さ
せることも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１実施の形態に係る結晶化Ｓｉ膜の
評価装置の原理を示す正面図。

【図２】 同じく結晶化Ｓｉ膜の評価装置を示す正面
図。

【図３】 同じく強度−波長特性を示すスペクトル線
図。

【図４】 同じく回折光のスペクトル強度−照射エネル
ギー密度特性を示す線図。

【図５】 同じく結晶化Ｓｉ膜のｘ軸に対する回転角度
方向を変化させて回折光のスペクトルを得るための説明
図。

【図６】 同じく回転角度方向を変化させて得た回折光
の強度−波長特性を示すスペクトル線図。

【図７】 同じく評価した結晶化Ｓｉ膜のイメージを示
す平面図。

【図８】 結晶化Ｓｉ膜の作製装置を示し、（イ）は正
面図、（ロ）は右側面図。

【図９】 結晶化Ｓｉ膜の作製装置のホモジナイザーを
示す斜視図。

【図１０】 結晶化Ｓｉ膜の作製装置の照射エネルギー
密度を変えたときの結晶化Ｓｉ膜のＳＥＭ写真を示す
図。

【符号の説明】

１：レーザ光、４：ラインビーム（レーザ光）、１０：
レーザ発振器、３１：平行光、３２：回折光、３３：結
晶化Ｓｉ膜、４１：連続光（光源）、４２：照射用光フ
ァイバー（光源）、４４：レンズ、４５：受光用光ファ
イバー、４６：分光器、４７：表示装置、Ｄ：結晶粒の
大きさ、ｚｎ：法線、α：入射角、β：回折角、θ：回
転角度、λ：波長。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 次田 純一 神奈川県横浜市金沢区福浦２丁目２番１号 株式会社日本製鋼所内 (72)発明者 井波 俊夫 神奈川県横浜市金沢区福浦２丁目２番１号 株式会社日本製鋼所内 (72)発明者 内田 良平 神奈川県横浜市金沢区福浦２丁目２番１号 株式会社日本製鋼所内 Ｆターム(参考） 2G059 AA03 BB10 BB16 CC01 EE02 EE12 FF01 HH02 JJ01 JJ11 JJ17 MM01 4M106 AA10 BA05 CB19 DH32 5F110 AA24 BB01 DD02 GG02 GG13 PP03 PP06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光（４）により結晶化した結晶化
   Ｓｉ膜（３３）の表面に、結晶化Ｓｉ膜（３３）平面か
   らの法線（ｚｎ）と入射角αをなす平行光（３１）を入
   射させ、この平行光（３１）による結晶化Ｓｉ膜（３
   ３）の表面からの回折光（３２）を、前記法線（ｚｎ）
   と回折角βをなす位置で検出する結晶化Ｓｉ膜の評価方
   法であつて、入射角α及び回折角βの範囲を、共に０°
   以上９０°以下に限定して正反射光（３５）を含まない
   回折光（３２）を得、回折光（３２）のスペクトル強度
   から、結晶化Ｓｉ膜（３３）における結晶粒の分布の規
   則性を評価することを特徴とする結晶化Ｓｉ膜の評価方
   法。
2. 【請求項２】 回折光（３２）のスペクトルのピークを
   示す波長λを測定し、結晶粒の大きさＤを、回折条件式
   から導かれる次式、 Ｄ＝λ／（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ） により算出することを特徴とする請求項１の結晶化Ｓｉ
   膜の評価方法。
3. 【請求項３】 結晶化に適する回折光（３２）のスペク
   トル強度及び波長を決定した後、レーザ光（４）により
   結晶化した直後の結晶化Ｓｉ膜（３３）からのスペクト
   ル強度及び波長を常時監視し、所定波長の該スペクトル
   強度の値が所定範囲になるように、レーザ光（４）のエ
   ネルギー密度を制御することにより、結晶粒の分布の規
   則性を所定範囲に保つことを特徴とする請求項１又は２
   の結晶化Ｓｉ膜の評価方法。
4. 【請求項４】 レーザ光（４）により結晶化した結晶化
   Ｓｉ膜（３３）の表面に、結晶化Ｓｉ膜（３３）平面か
   らの法線（ｚｎ）と入射角αをなす平行光（３１）を入
   射させ、この平行光（３１）による結晶化Ｓｉ膜（３
   ３）の表面からの回折光（３２）を、前記法線（ｚｎ）
   と回折角βをなす位置で検出する結晶化Ｓｉ膜の評価方
   法であつて、入射角α及び回折角βの範囲を、共に０°
   以上９０°以下に限定して正反射光（３５）を含まない
   回折光（３２）を得ると共に、結晶化Ｓｉ膜（３３）に
   入射させる平行光（３１）の入射位置及び入射角αを固
   定した状態で、該平行光（３１）の結晶化Ｓｉ膜（３
   ３）への入射位置回りの回転角度（θ）を相対変化さ
   せ、複数の回転角度（θ）の位置における回折光（３
   ２）のスペクトル強度及び波長から、結晶化Ｓｉ膜（３
   ３）の結晶粒の配列方向及び結晶粒の分布の規則性の内
   の少なくとも１つを評価することを特徴とする結晶化Ｓ
   ｉ膜の評価方法。
5. 【請求項５】 レーザ光（４）により結晶化した結晶化
   Ｓｉ膜（３３）の表面に、結晶化Ｓｉ膜（３３）平面か
   らの法線（ｚｎ）と入射角αをなす平行光（３１）を入
   射させる光源（４１，４２）と、この平行光（３１）に
   よる結晶化Ｓｉ膜（３３）の表面からの回折光（３２）
   を、前記法線（ｚｎ）と回折角βをなす位置で受光する
   と共にスペクトルを示す分光器（４６）とを備える結晶
   化Ｓｉ膜の評価装置であつて、入射角α及び回折角βの
   範囲は、共に０°以上９０°以下に限定して正反射光
   （３５）を含まない回折光（３２）を得、回折光（３
   ２）のスペクトル強度から、結晶化Ｓｉ膜（３３）にお
   ける結晶粒の分布の規則性を評価することを特徴とする
   結晶化Ｓｉ膜の評価装置。