JP2003509845A - 順次側方凝固法を用いた低温での単結晶または多結晶のシリコンフィルムの生産システム及び方法 - Google Patents

順次側方凝固法を用いた低温での単結晶または多結晶のシリコンフィルムの生産システム及び方法

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Abstract

(57)【要約】 アモルファスシリコン薄膜フィルムの試料を処理して単結晶または多結晶の薄膜フィルムにするシステム及び方法について開示する。このシステムは、所定流束量の複数のエキシマレーザパルス(111)を発生するエキシマレーザ装置(110)と、前記エキシマレーザパルスの流束量を可制御的に調整するエネルギ密度調整器(120)と、前記調整したレーザパルス(146)を所定平面内で均一化するビーム均一化器(144)と、前記調整して均一化したレーザパルスの一部をマスクしてパターン化した小ビームにするマスク(150)と、前記パターン化した小ビームを受ける試料台(180)とを具えて、この試料台上に置いたアモルファスシリコン薄膜フィルムの試料(170)の前記小ビームに対応する部分の融解を行い、さらに、前記マスクの位置に対する前記試料台の相対位置を可制御的に平行移動する平行移動手段と、コンピュータ(100)とを具えて、このコンピュータが、前記エキシマレーザパルスの可制御的な流束量の調整を制御し、かつ前記試料台と前記マスクとの可制御的な相対位置を制御して、前記エキシマレーザパルスの発生及び流束量の調整を、前記試料台と前記マスクとの相対位置に調和させて、これにより、前記試料台を前記マスクに対して順次平行移動させることによって、及び前記試料上を順次移動する前記パターン化した小ビームの位置に対応してこの小ビームの流束量を変化させて、この小ビームにより前記試料を照射することによって、アモルファスシリコン薄膜フィルムの試料を処理して単結晶または多結晶のシリコン薄膜フィルムにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） I. 発明の分野 本発明は半導体処理の技術に関するものであり、特に低温で実行可能な半導体
処理に関するものである。
【０００２】 II. 関連技術 半導体処理の分野では、薄膜アモルファスシリコンフィルムを多結晶フィルム
に変換するためにレーザを使用するいくつかの試みがあった。例えば、James Im
他、"Crystalline Si Films for Integrated Active-Matrix Liquid-Crystal Di
splays"、11 MRS Bulletin 39 (1996)には、慣例のエキシマレーザアニール（熱
処理）の概要が開示されている。こうしたシステムでは、エキシマレーザビーム
を、通常30cmまでの長さで500μmまたはそれより広幅の長ビームに整形する。整
形したビームをアモルファスシリコンの試料（サンプル）上で走査させて、この
試料の融解、及びこの試料が再凝固する際の多結晶シリコンの形成を促進する。
【０００３】 多結晶または単結晶のシリコンを生成するための、慣例のエキシマレーザアニ
ール技術の使用には、いくつかの理由で問題性がある。第１には、前記プロセス
で生成されるシリコンは通常、小粒径のランダムな微小構造であり、及び／また
は不均一な結晶粒径（グレインサイズ）を有し、低質で不均一なデバイスができ
、従って製造歩留まりが低下するいうことである。第２には、許容し得る性能レ
ベルを得るために、多結晶シリコンを生産するための製造処理能力を低く保たな
ければならないということである。また、これらのプロセスは一般に、制御され
た環境及びアモルファスシリコン試料の前加熱を必要とし、処理速度をさらに低
下させる。従ってこの分野では、より高い処理速度で、より高品質の多結晶シリ
コンを生成する必要性が存在する。
【０００４】 （発明の概要） 本発明の目的は、エネルギを制御可能なレーザパルスを用いて、大粒径の多結
晶または単結晶のシリコン構造を成長させる技術を提供することにある。
【０００５】 本発明のさらなる目的は、シリコン試料の小規模の平行移動を利用して、この
試料上に大粒径の多結晶または単結晶のシリコン構造を成長させることにある。
【０００６】 本発明の他の目的は、平坦化した薄膜シリコンフィルムを生成するために、位
置制御をして大粒径の多結晶または単結晶のシリコン構造を成長させる技術を提
供することにある。
【０００７】 本発明の他の目的は、例えば室温のような低温で、大粒径の多結晶または単結
晶のシリコン構造を前加熱なしで成長させる技術を提供することにある。
【０００８】 本発明のさらに他の目的は、レーザ流束量（フリューエンス）を調和的に減衰
させる技術を提供することにある。
【０００９】 これらの目的、並びに以下の記載事項を参照して明らかになる他の目的を達成
するために、本発明は、所定流束量の複数のエキシマレーザパルスを発生するエ
キシマレーザ装置と、前記エキシマレーザパルスの流束量を可制御的に調整する
エネルギ密度調整器と、前記調整したレーザパルスを所定平面内で均一化するビ
ーム均一化器と、前記調整して均一化したレーザパルスの一部をマスクして、パ
ターン化した小ビームにするマスクと、前記パターン化した小ビームを受ける試
料台とを具えて、この試料台上に置いたアモルファスシリコン薄膜フィルムの試
料の前記小ビームに対応する部分の融解を行い、さらに、前記マスクの位置に対
する前記試料台の相対位置を可制御的に平行移動する平行移動手段と、コンピュ
ータとを具えて、このコンピュータが、前記エキシマレーザパルスの可制御的な
流束量の調整を制御し、かつ前記試料台と前記マスクとの可制御的な相対位置を
制御して、前記エキシマレーザパルスの発生及び流束量の調整を、前記試料台と
前記マスクとの相対位置に調和させて、これにより、前記試料台を前記マスクに
対して順次平行移動させることによって、及び前記試料上を順次移動する前記パ
ターン化した小ビームの位置に対応してこの小ビームの流束量を変化させて、こ
の小ビームで前記試料を照射することによって、アモルファスシリコン薄膜フィ
ルムの試料を処理して、単結晶または多結晶のシリコン薄膜フィルムにする。
【００１０】 好適な装置では、前記エキシマレーザ装置が紫外線エキシマレーザ装置であり
、そして前記エネルギ密度調整器が、回転可能な車輪と、この車輪の円周に取り
付けた２つ以上のビーム減衰器と、前記レーザ装置が放出する連続的なパルスの
各々が、前記２つ以上のビーム減衰器のうちの１つを通過するように前記車輪を
可制御的に回転させるモータとを具えている。前記ビーム減衰器が、少なくとも
２つの異なる流束量減衰レベルを生成可能であることが有利である。
【００１１】 代案の装置では、前記エネルギ密度調整器が、前記エキシマパルスの径路と前
記回転軸との間に形成される角度に応じて前記エキシマパルスを可変的に流束量
調整するために、エキシマパルスが形成する径路に垂直な軸の回りに回転可能な
多層の誘電体プレートを具えている。誘電体がもたらす前記ビーム径路の移動を
補償するために、補償プレートを設けることが有利である
【００１２】 他の代案の装置では、前記エネルギ密度調整器が、１つ以上のビーム減衰器と
、平行移動台（ステージ）とを具えて、この平行移動台が前記１つ以上のビーム
減衰器を可制御的に平行移動させて、前記レーザ装置が放出する連続的なレーザ
パルスの各々が前記１つ以上のビーム減衰器のうちの１つを通過するか、あるい
は前記１つ以上のビーム減衰器のいずれも通過せずに前記エネルギ密度調整器を
通過するようにする。前記平行移動台は、前記エキシマパルスが形成する径路に
平行な方向、及びこの径路に垂直な方向に共に移動可能であり、前記エキシマパ
ルスが前記１つ以上のビーム減衰器のうちの１つを通過するか、あるいは前記１
つ以上のビーム減衰器のいずれも通過しないように、前記１つ以上のビーム減衰
器が位置決め可能である。
【００１３】 さらに他の代案の装置では、前記エネルギ密度調整器が１つ以上の移動可能な
ビーム減衰器を具えて、前記レーザ装置が放出する連続的なパルスの各々が、前
記１つ以上のビーム減衰器のうちの１つ以上を通過するか、あるいは前記１つ以
上のビーム減衰器のいずれも通過せずに前記エネルギ密度調整器を通過するよう
に、これらのビーム減衰器を可制御的に移動させる。
【００１４】 １つの好適な装置では、前記平行移動手段が、前記均一化したビームが形成す
る径路に垂直な、互いに直交する両方向に平行移動可能なマスク平行移動台と、
前記コンピュータの制御下で、前記マスク平行移動台を平行移動可能な両方向に
可制御的に平行移動させる平行移動台モータを具えている。代案の装置では、前
記平行移動手段が試料平行移動台を具え、そして前記平行移動手段がＸ方向の平
行移動部及びＹ方向の平行移動部を有して、これらの平行移動部が、前記パター
ン化した小ビームが形成する径路に垂直な、互いに直交する２方向に移動可能で
あり、そして前記コンピュータの制御下で前記試料を平行移動可能な両方向に可
制御的に平行移動させるために、前記コンピュータによって制御可能である。前
記平行移動台は、前記パターン化した小ビームが形成する径路に平行な方向への
試料を移動を可能にするＺ方向の平行移動部を追加的に具えることができる。シ
ステム全体を花崗岩のブロック上に取り付けて、前記試料を周囲の振動に対して
安定化することが最も好ましい。
【００１５】 本発明は、アモルファスシリコン薄膜フィルムの試料を処理して、単結晶また
は多結晶のシリコン薄膜フィルムにする方法も提供する。好適な技法では、この
方法が、所定流束量の複数のエキシマレーザパルスを発生するステップと、これ
らのエキシマレーザパルスの流束量を可制御的に調整するステップと、前記調整
したレーザパルスを所定平面内で均一化するステップと、前記調整し均一化した
レーザパルスの一部をマスクして、パターン化した小ビームにするステップと、
アモルファスシリコン薄膜フィルムを前記パターン化した小ビームで照射して、
この薄膜フィルムの前記小ビームに対応する部分の融解を行うステップと、前記
試料を、前記可制御的な調整に関連して、前記パターン化した小ビームに対して
可制御的に平行移動させて、これにより、前記アモルファスシリコン薄膜フィル
ムの試料を前記パターン化した小ビームに対して順次平行移動させて、前記パタ
ーン化した小ビームによって前記試料を照射して、前記試料上を順次移動する前
記小ビームの位置に対応してこの小ビームの流束量を変化させることによって、
前記試料を処理して単結晶または多結晶のシリコン薄膜フィルムにするステップ
とを具えている。
【００１６】 以下、本明細書に添付した図面を用いて、本発明の好適な実施例を示し、本発
明の原理を説明説明する。
【００１７】 （好適な実施例の説明） 本発明の好適な実施例について、図１を参照して説明する。エキシマレーザ装
置１１０は、Lambda Physik Model LPX315iとすることができ、これはレーザビ
ーム１１１を発生して、このビームがエネルギ密度調整器１２０を通過して、こ
の調整器については以下に詳細に説明する。前記Lambda Physik のエキシマレー
ザ装置は波長308nmの紫外線ビームを発生するが、より強力なエキシマレーザ装
置または他の波長のビームを発生するレーザ装置を利用することもできる。本発
明によれば、調整器１２０は、レーザビーム１１１エネルギ密度を迅速に変化さ
せるべく作用する。エキシマレーザ装置１１０及びエネルギ密度調整器１２０の
各々を、標準的なコンピュータインタフェース接続１０１によってコンピュータ
１００に結合して、レーザ装置１１０が発生するレーザパルスのタイミングに従
って、エネルギ密度調整器１２０の制御を実行する。調整したレーザパルス１２
１を、ビーム減衰器及びシャッタ１３０を通して指向させて、これらは前記変調
したレーザビームの流束量（フリューエンス）に対する精密な制御を可能にする
。
【００１８】 流束量を制御したレーザビーム１３１を反射面１４０に指向させて、望遠レン
ズ１４１及び１４２を通して反射面１４３に入射するようにして、このビームは
この反射面でビーム均一化器１４４に指向される。前記望遠レンズは２個の平凸
レンズ１４１及び１４２とするか、あるいは他の周知のレンズ構成とすることが
でき、これらは前記レーザビームを、ビーム均一化器１４４の要求に整合するよ
うに整形すべく作用する。このビーム均一化器はMicrolasビーム均一化器１４４
とすることができ、これは前記レーザビームが均一化の平面内で、ほぼ均一な流
束量を得るようにする。この均一化したビーム１４６はコンデンサー（凝集）レ
ンズ１４５を通過して、反射面１４７で反射して、ビームを平行化（コリメート
）する視野（フィールド）レンズ１４８を通過する。
【００１９】 平行化したビーム１４９はマスク系１５０を通過して、このマスク系について
は以下でより詳細に説明する。パターン化した小ビーム１５１をマスク系１５０
から出力して、これらの小ビームが反射面１６０で反射して、接眼レンズ１６１
を通過して、反射面１６２で反射して、対物レンズ１６３を通過する。あるいは
また、これらの小ビームを、中間反射なしに対物レンズ１６３に指向させること
ができる。対物レンズ１６３は、パターン化したビーム１５１を縮小して集束さ
せるべく作用する。
【００２０】 集束したパターン化ビーム１６４は、基板上に堆積させた、100オングストロ
ームから5000オングストローム以上の範囲の、アモルファスシリコンまたはラン
ダムに粒子化した他結晶シリコンのフィルムのような薄膜シリコンフィルムの試
料１７０に入射する。本発明の好適例によれば、試料１７０を室温に維持して、
前加熱する必要がないことが好ましい。以下にさらに説明するように、集束した
パターン化ビーム１６４を用いて薄膜シリコン試料１７０を横方向に凝固させて
、単結晶または均一粒子の他結晶のフィルムにする。
【００２１】 シリコンフィルム試料１７０を試料平行移動台（ステージ）１８０の最上部に
置いて、試料平行移動台１８０は花崗岩ブロック１９０上に定置し、試料平行移
動台１８０については以下に詳細に説明する。花崗岩ブロック１９０を支持シス
テム１９１、１９２、１９３、１９４、１９５、１９６によって支持して、これ
らは、床の動きによって生じ得る花崗岩ブロック１９０の振動を最小化すべく能
動的に制御可能である。この花崗岩ブロックは平らな表面を有するように精密に
製造しなければならず、federal specification GGG-P-463c per Laboratory Gr
ade AA のように高級であることが好ましい。前記指示システムはTechnical Man
ufacturing Corporationから商業的に入手可能なシステムとすることができ、こ
れは、振動が花崗岩１９０に通過することを阻止すべく空気力学的に制御する。
【００２２】 図２ａ及び図２ｂを参照して、エネルギ密度調整器１２０をより詳細に説明す
る。図２ａにエネルギビーム調整器１２０の側面図を示し、これは金属車輪２１
０、モータ２２０、及び複数のビーム減衰器２３０を具えている。モータ２２０
は標準的なステッピングモータであり、エンコーダを具え、これによりモータ２
２０はコンピュータ１００に、車輪２１０の位置角、従って各ビーム減衰器２３
０の位置に関するフィードバック情報を供給することができる。各ビーム減衰器
２３０を車輪２１０に取り付けて、これらの回転を可能にする。誘電体蒸着した
二酸化シリコン片またはフッ化マグネシウムから製造した商業的に入手可能なビ
ーム減衰器が、ビーム減衰器２３０として使用するのに適している。
【００２３】 Lambda Physik Model LPX315iが発生する、約1.5×3cmのレーザビーム用には
、適切な車輪２１０は直径約10〜20cmであり、少なくとも１０個のビーム減衰器
２３０を具えて、各ビーム減衰器は少なくとも、1.5×3cmよりも少し大きく、こ
れらは車輪２１０を囲む。図２ｂに、図２ａの断面Ａ−Ａ'に沿って切り取った
図を示す。選択するビーム減衰器２３０の数は所望の粒径に依存し、より長い粒
子ほど、製造するためにより多くのエキシマパルスを必要とし、従ってより多く
のビーム減衰器を必要とする。
【００２４】 動作中には、エネルギ密度調整器１２０及びエキシマレーザ装置１１０が、コ
ンピュータ１００の制御下で同期して動作して、エキシマレーザ装置１１０が放
出する各レーザパルスの所望の減衰を達成する。例えば、シリコン試料１７０の
小領域を適切に照射するために１０個のエキシマパルスが必要であり、エキシマ
レーザ装置が100Hzのレーザパルスを放出する場合には、車輪２１０をレーザパ
ルスの放出に同期させて、１秒当たり１０回、または600rpmで回転させる。この
例では、各減衰器がビーム径路にほぼ相当する位置にある際に、各レーザパルス
が異なるビーム減衰器２３０に入射する。本発明によれば、照射している薄膜シ
リコンフィルムを平坦化するために、パルス組の最終のレーザパルスを減衰させ
る。従って前の例では、最初の７個のビーム減衰器２３０はビームに減衰を全く
あるいは少ししか生じさせず、８番目、９番目、及び１０番目のビーム減衰器が
、入射ビームパルス１１１の流束量の、より多くの減衰を生じさせる。
【００２５】 このため、図３に示すように、エネルギ密度調整器１２０が、エキシマレーザ
装置１１０が放出するレーザビームパルスの流束量特性を変化させる。エキシマ
レーザ装置が、300mJ/cm2の流束量を有するレーザビームパルスを放出している
場合には、最初の７個のパルスを自由に通過させて、８番目のパルスを250mJ/cm 2 に減衰させて、９番目のパルスを200mJ/cm2に減衰させて、１０番目のパルスを
完全に遮断（ブロック）するように、エネルギ密度調整器１２０を設定すること
ができる。もちろん、以上のことは単なる例であり、車輪２１０上の減衰器の数
、及び各減衰器の誘電体蒸着を変更することによって他の流束量特性が容易に達
成可能であることは当業者にとって明らかである。
【００２６】 図４に示すエネルギ密度調整器１２０の代案の実施例では、前記減衰器を、入
射ビームパルスの入射角に応じた可変の透過率に適した多層の誘電体蒸着をして
、減衰特性を構成するに当たってより大きな柔軟性を達成する。これにより、ス
テッピングモータ４１１によって制御する可変のビーム減衰器４１０を、入射ビ
ームパルス１１１を受けるように位置決めして、入射角に応じてこのビームを減
衰させる。減衰したビーム１２１は、モータ４１２によって動く補償プレート４
２０を通過することによって元のビーム軸に戻って、このため、ビーム減衰器４
１０及び補償プレート４２０は、前記ビーム軸に対する角度が互いに逆である。
図２に示す実施例のように、コンピュータ１００の制御下で前記ビーム減衰器を
、レーザ装置１１０が放出するレーザビームパルスのタイミングに同期して回転
させて、エネルギ密度調整器１２０によって減衰が生じる。
【００２７】 次に図５ａおよび図５ｂを参照して、図１のシステムでの使用に適した平行移
動型エネルギ密度調整器について説明する。図５ａに示すように、本実施例は平
行移動台５１０を具えて、減衰が変化するいくつかのビーム減衰器５２０、５３
０を、この平行移動台に取り付けている。動作中には、最初のエキシマパルス期
間中にレーザビーム１１１がいずれの減衰器も通過しないように、この平行移動
台をコンピュータ１００によって位置決めする。パルスサイクルの終点に向かう
につれて、ビーム１１１が減衰器５２０、５３０、５４０を通過するように前記
平行移動台を移動させて、これにより大幅に減衰したビーム１２１になる。前記
コンピュータは、各レーザパルスが順次、それぞれの減衰器の中心を通過するよ
うに、平行移動台５１０の移動を同期させる。本実施例の１つの欠点は、直後の
後続パルスサイクルの最初のパルスが最大に減衰されるように、この移動台が位
置決めされるということである。しかし、図５ｂに示すように減衰段が直交する
２つの自由度を具えていれば、この欠点を克服することができる。パルスサイク
ルの終点に向かうにつれて減衰が所望される際に、ビーム平行移動器５１１をビ
ーム径路５５０に交差するように位置決めして、後続サイクルの開始より先に、
ビーム径路外５６０に移動させることができる。
【００２８】 図６を参照して、図１のシステムでの使用に適した移動可能な多プレートのエ
ネルギ密度減衰器について説明する。本実施例はいくつかのビーム減衰器を具え
て、これらの各々は、入射ビーム１１１の径路内６１０、６２０、６３０か、あ
るいはビーム径路外６１１、６２１、６３１のいずれかに位置決めすべく移動可
能である。これらの減衰器は、ビーム径路に垂直な方向に移動可能にすることが
でき、あるいはビーム経路の内外に移動すべく旋廻または回転可能にすることが
できる。動作中には、最初のエキシマパルス期間中にレーザビーム１１１がいず
れの減衰器も通過しないように、コンピュータ１００が各減衰器を位置決めする
。パルスサイクルの終点に向かうにつれて、ビーム１１１が１つ以上の減衰器を
通過するように、前記コンピュータが前記減衰器を移動させて、これにより、所
望の調整特性に従って大幅に減衰したビーム１２１になる。前記コンピュータは
、各エキシマパルスが順次、ビーム径路内に配置したすべての減衰器の中心を通
過するように、前記減衰器の移動を同期させる。動作中には、いくつかのエキシ
マレーザパルスが同じ減衰器を通過するか、あるいは他の何らかのやり方で減衰
方法を変化させて、所望の減衰特性を達成することが望ましいことは明らかであ
る。
【００２９】 図７を参照して、マスク系１５０についてより詳細に説明する。均一化して柱
状にしたビーム１４９が、マスク上にパターンを含むマスク７１０を通過する。
マスク７１０は、クロム蒸着または誘電体蒸着した高珪酸ガラスのスラブ（平板
）とすることができ、これは前記蒸着膜からエッチング除去したスリット形また
はＶ字形のアレイのようなパターンを含むべきものである。マスク７１０は、コ
ンピュータ１００の指令の下にＸ軸及びＹ軸モータ７３０によって制御される開
放枠型（オープンフレーム）のＸＹ平行移動台７２０上に定置する。ＸＹ平行移
動台７２０の動きは、以下に説明するようなシリコン試料１７０内の結晶成長を
可能にする。あるいはまた、前記マスクを固定の開放枠型の台上に定置して、試
料平行移動台１８０によってビームの平行移動を行うことができる。参考文献と
して本明細書に含める、同時継続出願の特願平9-200,533号（1996年11月27日出
願）に詳細に記載したように、スリットアレイのマスクは、ほぼ均一の粒子構造
を有する大粒径の多結晶シリコンの生成を可能にし、Ｖ字アレイのマスクは、位
置を制御した大きな単結晶シリコン領域の生成を可能にする。
【００３０】 図８を参照して、試料平行移動台１８０についてより詳細に説明する。この台
は、例えばAerotechのATS 8000型ステージのような、リニアモータ／空気ベアリ
ングの平行移動台を含むことができる。ここでは、Aerotechの台がＸ及びＹ方向
の平行移動器８１０、８２０を具えて、コンピュータ１００によって制御可能で
ある。コンピュータ１００によって制御可能な別個のＺ方向の平行移動器８３０
を具えていることが好ましい。シリコン試料１７０を、Ｚ方向の平行移動器８３
０上の、マスクしたビーム１６４の径路内に定置する。
【００３１】 動作中には、コンピュータ１００が、エキシマレーザ装置１１０が放出するパ
ルスのタイミングに従って、試料平行移動台１８０またはマスク平行移動台７２
０のいずれかの動きを制御して、シリコン試料１７０内の所望の結晶成長を行う
。試料１７０を入射パルス１６４に対して移動させるか、あるいはまた、マスク
平行移動台によってパルス１６４の位置を試料１７０に対して移動させるかのい
ずれかを行う。
【００３２】 大粒径のシリコン構造を成長させるために、パルス組の最終パルスが試料１７
０に吸収されるまで、パルス組の各エキシマパルス間で小規模の平行移動を生じ
させる。各パルスが試料に吸収されるので、試料の小領域が融解し、最凝固して
、パルス組の最初のパルスによる最初の結晶領域になる。もちろん、パルス組内
のパルス数が、生成可能な粒子の大きさを規定して、パルス多いほど、より大型
の結晶の成長が可能になる。これにより、長さが約0.5ミクロンから２ミクロン
まで変化する結晶構造を、単一のパルスから生成することができるので、適切な
パルス組によって、何十ミクロンもの長さを獲得した結晶構造を生成することが
できることは明らかである。
【００３３】 結晶内の最終箇所付近の表面の突起が凝固することを防ぐために、パルス組の
最終パルスを減衰させる。図９ａ〜図９ｃに示すように、シリコン薄膜フィルム
９００の完全な融解貫通を行うのに十分なエネルギを有するエキシマレーザパル
スでフィルム９００を照射すると、２つの固体領域９１０、９１１の間に液体領
域９１２が形成される。２つの結晶前端部９２１、９２２が形成されて、すべて
の液体シリコンが結晶９３０、９３１の一部として結晶するまで、これらの前端
部が液体領域９２２内に成長して、この領域が狭まる。シリコンは液体相よりも
固体相の方がより高密度であるので、シリコンが凝固するにつれてシリコンフィ
ルムの体積が増加して、これにより隆起９３３が形成されて、ここでは２つの結
晶９３０、９３１が９３２のように出会う。
【００３４】 本発明によれば、長い多結晶または単結晶のシリコン構造を形成した後か、あ
るいはこうした構造の形成の終了間際のいずれかに、１個以上の減衰させたパル
スを薄膜フィルムに当てる。図９ｄ〜図９ｆに示すように、減衰させたレーザパ
ルスをシリコンフィルム９４０の隆起９４１の領域に当てると、このフィルムの
上面が９５２のように液体化して、隣合う結晶９５０、９５１が、このフィルム
の底面で隣接して残る。結晶９５０、９５１の横方向の結晶成長が存在し得ない
ので、結晶９６０、９６１が上向きに成長して、隆起を有しないか、あるいは隆
起９４１よりもはるかに目立たない隆起９６２を有する結晶境界を形成する。
【００３５】 図１０及び図１１を参照して、本発明による結晶成長プロセスを制御するため
にコンピュータ１００が実行するステップについて説明する。図１０は、図１の
システムが実行する基本ステップを示すフロー図である。図１に示すシステムの
種々の電子回路を前記コンピュータによって初期化して、プロセスを開始する（
ステップ１０００）。そして薄膜シリコンフィルムの試料を、試料平行移動台上
に装荷する（ステップ１００５）。なおこうした装荷は、手動とすることも、コ
ンピュータ１００の制御下でロボット工学的に実現することもできる。次に、前
記試料平行移動台を開始位置に移動させて（ステップ１０１５）、これは、試料
上の基準の特徴への位置合わせを含めることもできる。必要であれば、システム
の種々の光学要素の焦点合わせを行う（ステップ１０２０）。そしてレーザ装置
を、実行すべき特定の処理に応じてシリコン試料を完全に融解するために必要な
所望のエネルギレベル及び反復度に安定化させる（ステップ１０２５）。必要で
あれば、レーザパルスの減衰を精密に調整する（ステップ１０３０）。
【００３６】 次に、試料の微小構造に応じて、所定速度かつ所定方向の試料の平行移動を開
始する（ステップ１０３５）。前記シャッタを開放して、前記試料を照射に露光
させて、これにより順次側方凝固（sequential lateral solidification）プロ
セスを開始する（ステップ１０４０）。
【００３７】 所望の結晶化を完了するまで、試料の平行移動及び照射を継続して（ステップ
１０５０、１０５１）、この時点で、前記コンピュータがシャッタを閉じて平行
移動を停止する（ステップ１０５５、１０６０）。試料上の他の領域を結晶化す
べく指定している場合には、この試料を再位置決めして、この新たな領域上で結
晶化プロセスを繰り返す（ステップ１０６５、１０６６）。結晶化すべき領域を
さらに指定していなければ、レーザ装置を遮断して（ステップ１０７０）、ハー
ドウエアを停止させて（ステップ１０７５）、プロセスを完了する（ステップ１
０８０）。もちろん、追加的な試料の処理を所望する場合、あるいは本発明をバ
ッチ処理に利用する場合には、試料毎にステップ１００５、１０１０、及び１０
３５〜１０６５を繰り返す。
【００３８】 図１１は、エネルギ密度の調整を行う図１のシステムにおいて実行するステッ
プを示すフロー図である。ステップ１１００〜１１４０、及び１１５０〜１１８
０は、図１０を参照して以上に説明したステップ１０００〜１０４０、及び１０
５０〜１０８０と同等のものである。エネルギ密度の調整を実行するために、エ
キシマレーザパルスの減衰を、レーザ装置が放出するレーザパルスのタイミング
及び照射されるシリコン試料の瞬時位置に共に同期するような所定の方法で調整
する（ステップ１１４５）。以上のことに関連して、減衰調整のサイクル上でエ
ネルギ密度の調整を行うために前記ビーム減衰器を移動させる速度を変化させる
能力が、より高い柔軟性を達成するために所望され得る。
【００３９】 以上のことは単に、本発明の原理を示すものである。本明細書に教示する範囲
で、説明した実施例に種々の変形及び変更を加え得ることは当業者にとって明ら
かである。例えば、以上では平行移動台上に置いた試料について説明してきたが
、真空チャンバ内、あるいは不活性ガスの１つの筐体のように環境制御付きのチ
ャンバ内に試料を置いて、このチャンバを平行移動台の最上部に置くことが有利
であり得る。「蝿の目」均一化器のように、他の種類の均一化器を利用すること
ができる。積層型のＸＹ平行移動器を使用する代わりに、追加的な自由度を有す
るより精密な平行移動器を利用することができる。さらに、エキシマパルスが試
料上に適切に集束することを保証するために、能動的な合焦システムを利用する
ことができる。これにより、本明細書には明示的に図示または記述していないが
、本発明の原理を具体化し、従って本発明の範囲内にある多数のシステム及び方
法を、当業者が装置化することができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な実施例によるシステムの機能図である。
【図２ａ】 図１のシステムでの使用に適したエネルギ密度調整器を図式的に示
す図である。
【図２ｂ】 図２ａのＡ−Ａ'に沿って切断した断面図である。
【図３】 図２のエネルギ密度調整器によって成形したレーザビームパルスの流
束量特性を示すグラフである。
【図４】 図１のシステムでの使用に適したエネルギ密度調整器の代案を図式的
に示す図である。
【図５】 図１のシステムでの使用に適したエネルギ密度調整器の代案を図式的
に示す図である。
【図６】 図１のシステムでの使用に適したエネルギ密度調整器の代案を図式的
に示す図である。
【図７】 図１のシステムでの使用に適したマスクシステムを図式的に示す図で
ある。
【図８】 図１のシステムでの使用に適した試料平行移動台を図式的に示す図で
ある。
【図９】 ２つの結晶が合する領域でのマウントの形成及び回避を図式的に示す
図である
【図１０】 図１のシステムにおいて実行する基本ステップを示すフロー図であ
る。
【図１１】 エネルギ密度調整のある図１のシステムにおいて実行するステップ
を示すフロー図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ロバート エス スポシリ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10027 ニューヨーク クレアモント アヴェニ ュー 190 アパートメント １シー (72)発明者 マーク エイ クラウダー アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10027 ニューヨーク リヴァーサイド ドライ ヴ 452 アパートメント 34 Ｆターム(参考） 4G072 AA01 BB09 BB12 GG03 HH01 NN01 RR26 UU01 5F052 AA02 BA01 BA07 BA08 BA12 BA14 BA18 BB07 CA04 CA08 DA02 EA16 【要約の続き】 試料台と前記マスクとの相対位置に調和させて、これに より、前記試料台を前記マスクに対して順次平行移動さ せることによって、及び前記試料上を順次移動する前記 パターン化した小ビームの位置に対応してこの小ビーム の流束量を変化させて、この小ビームにより前記試料を 照射することによって、アモルファスシリコン薄膜フィ ルムの試料を処理して単結晶または多結晶のシリコン薄 膜フィルムにする。

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アモルファスシリコン薄膜フィルムの試料を処理して単結晶また
    は多結晶のシリコン薄膜フィルムにするシステムにおいて、 (a) 所定流束量の複数のエキシマレーザパルスを発生するエキシマレーザ装置と
    ； (b) 前記エキシマレーザ装置に光学的に結合され、前記エキシマレーザ装置が放
    出する前記エキシマレーザパルスの前記流束量を可制御的に調整するエネルギ密
    度調整器と; (c) 前記エネルギ密度調整器に光学的に結合され、前記調整したレーザパルスを
    所定平面内で均一化するビーム均一化器と； (d) 前記ビーム均一化器に光学的に結合され、前記調整して均一化したレーザパ
    ルスの一部をマスクして、パターン化した小ビームにするマスクと； (e) 前記マスクに光学的に結合され、前記パターン化した小ビームを受ける試料
    台とを具えて、この試料台上に置いたアモルファスシリコン薄膜フィルムの試料
    の前記小ビームに対応する部分の融解を行い； (f) さらに、前記試料台及び前記マスクから成るグループの１つ以上のものに結
    合され、前記マスクの位置に対する前記試料台の相対位置を可制御的に平行移動
    させる平行移動手段と； (g) 前記エキシマレーザ装置、前記エネルギ密度変調器、及び前記平行移動手段
    に結合されたコンピュータとを具えて、該コンピュータが、前記エキシマレーザ
    パルスの前記可制御的な流束量の調整を制御し、かつ前記試料台と前記マスクと
    の前記可制御的な相対位置を制御して、前記エキシマパルスの発生及び前記流束
    量の調整を、前記試料台と前記マスクとの前記相対位置に調和させて、これによ
    り、前記試料台を前記マスクに対して順次平行移動させることによって、及び前
    記試料上を順次移動する前記パターン化した小ビームの位置に対応してこの小ビ
    ームの流束量を変化させて、この小ビームで前記試料を照射することによって、
    前記アモルファスシリコン薄膜フィルムの試料を処理して、単結晶または多結晶
    のシリコン薄膜フィルムにすることを特徴とするシリコンフィルムの生産システ
    ム。
  2. 【請求項２】 前記エキシマレーザ装置が、紫外線レーザパルスを発生する紫外
    線エキシマレーザ装置であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記エネルギ密度調整器が、 (a) 回転可能な車輪と； (b) 該車輪の円周に取り付けた２つ以上のビーム減衰器と； (c) 前記車輪に機械的に結合され、かつ前記コンピュータに結合され、そして前
    記レーザ装置が放出する連続的なパルスの各々が前記２つ以上のビーム減衰器の
    うちの１つを通過するように、前記車輪を可制御的に回転させるモータと を具えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記２つ以上のビーム減衰器が、少なくとも２つの異なる流束量
    減衰レベルを生成可能であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記２つ以上のビーム減衰器のうちの少なくとも１つがビーム流
    束量を減衰させずに、少なくとも１つの異なる減衰器が流束量の減衰を行うこと
    を特徴とする請求項３に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 前記エネルギ密度調整器が、前記エキシマレーザ装置に光学的に
    結合され、かつ前記エキシマパルスが形成する径路に垂直な軸の回りに回転可能
    であり、そして前記エキシマパルスの径路と前記回転軸との間に形成される角度
    に応じて前記エキシマパルスを可変的に流束量調整する多層の誘電体プレートを
    具えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記多層の誘電体プレートに光学的に結合され、前記多層の誘電
    体プレートによって生じる前記エキシマパルスの径路の移動を補償する補償プレ
    ートをさらに具えていることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 前記エネルギ密度調整器が、 (a) １つ以上のビーム減衰器と； (b) 前記１つ以上のビーム減衰器の各々に機械的に結合され、かつ前記コンピュ
    ータに結合された平行移動台とを具えて、この平行移動台が前記１つ以上のビー
    ム減衰器を可制御的に平行移動させて、前記レーザ装置が放出する連続的なレー
    ザパルスの各々が、前記１つ以上のビーム減衰器のうちの１つを通過するか、あ
    るいは前記１つ以上のビーム減衰器のいずれも通過せずに前記エネルギ密度調整
    器を通過するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 前記平行移動台が、前記エキシマパルスが形成する径路に平行な
    方向、及びこの径路に垂直な方向に共に移動可能であり、そして前記エキシマパ
    ルスが前記１つ以上のビーム減衰器のうちの１つを通過するか、あるいは前記１
    つ以上のビーム減衰器のいずれも通過しないように、前記１つ以上のビーム減衰
    器を位置決め可能であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 前記エネルギ密度調整器が、前記コンピュータに結合された１
    つ以上の移動可能なビーム減衰器を具えて、該ビーム減衰器を可制御的に移動さ
    せて、前記レーザ装置が放出する連続的なパルスの各々が、前記１つ以上のビー
    ム減衰器のうちの１つ以上を通過するか、あるいは前記１つ以上のビーム減衰器
    のいずれも通過することなく前記エネルギ密度調整器を通過するようにしたこと
    を特徴とする請求項１に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記ビーム減衰器を前記ビーム均一化器に光学的に結合して、
    開位置にした際に前記減衰させたビームを通過可能にし、閉位置にした際に前記
    減衰させたビームを遮断するシャッタをさらに具えていることを特徴とする請求
    項１に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記ビーム減衰器を前記ビーム均一化器に光学的に結合して、
    前記減衰させたビームを、前記ビーム均一化器に整合するように整形する望遠レ
    ンズ光学器をさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 前記平行移動手段が、 (a) 前記マスクに機械的に結合され、前記均一化したビームが形成する径路に垂
    直な、互いに直交する両方向に平行移動可能なマスク平行移動台と； (b) 該マスク平行移動台に機械的に結合され、かつ前記コンピュータに結合され
    、前記コンピュータの制御下で、前記マスク平行移動台を、前記平行移動可能な
    両方向に可制御的に平行移動させる平行移動台モータを具えていることを特徴と
    する請求項１に記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 前記平行移動手段が試料平行移動台を具え、そして該試料平行
    移動台が、Ｘ方向の平行移動部及びＹ方向の平行移動部を具えて、これらの各々
    が前記コンピュータに結合され、かつ互いに結合され、前記Ｘ及びＹ方向の平行
    移動部が、前記パターン化した小ビームが形成する径路に垂直な、互いに直交す
    る２方向に移動可能であり、そして前記コンピュータの制御下で前記試料を可制
    御的に、前記平行移動可能な両方向に平行移動させるために、前記コンピュータ
    によって制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 前記平行移動台がさらに、前記コンピュータ及び前記Ｘ及びＹ
    方向の平行移動部の少なくとも一方に結合されたＺ方向の平行移動部を具えて、
    該平行移動部が、前記試料を、前記パターン化した小ビームが形成する前記径路
    に平行な方向に移動可能にすることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 さらに花崗岩のブロックを具えて、前記試料を周囲の振動に対
    して安定化するために、前記花崗岩のブロックの、前記試料を載せる側面と反対
    側の側面を、前記平行移動手段に結合したことを特徴とする請求項１４に記載の
    システム。
  17. 【請求項１７】 アモルファスシリコン薄膜フィルムの試料を処理して、単結晶
    または多結晶のシリコン薄膜フィルムにする方法において、 (a) エキシマレーザパルス列を発生するステップと； (b) 前記列内の各エキシマレーザパルスを所定流束量に可制御的に調整するステ
    ップと； (c) 前記列内の調整した各レーザパルスを、所定平面内で均一化するステップと
    ； (d) 前記列内の、流束量を制御して均一化したレーザパルスの一部をマスクして
    、流束量を制御してパターン化した小ビームのパルス列を発生するステップと； (e) アモルファスシリコン薄膜フィルムを、前記流束量を制御してパターン化し
    た小ビームの列で照射して、この薄膜フィルムの一部分であり、前記パターン化
    した小ビームのパルス列内の、流束量を制御してパターン化した小ビームの各パ
    ルスに対応する部分の融解を行うステップと； (f) 前記試料を、前記流束量を制御してパターン化した小ビームの各パルスに対
    して可制御的に順次平行移動させて、これにより、前記アモルファスシリコン薄
    膜フィルムの試料を処理して、単結晶または多結晶のシリコン薄膜フィルムにす
    るステップと を具えていることを特徴とするシリコンフィルムの生産方法。
  18. 【請求項１８】 前記エキシマレーザパルス列を発生するステップが、紫外線エ
    キシマレーザパルス列を発生するステップから構成されることを特徴とする請求
    項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記調整のステップが、回転可能な車輪の円周に取り付けた２
    つ以上のビーム減衰器を可制御的に回転させて、前記パルス列の各パルスが、前
    記２つ以上のビーム減衰器のうちの１つを通過するようにするステップから構成
    されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記調整のステップがさらに、前記レーザパルス列に、少なく
    とも２つの異なる流束量減衰のレベルを有する２つ以上のビーム減衰器を通過さ
    せるステップを具えていることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記調整のステップが、前記レーザパルス列の各パルスに、回
    転可能な多層の誘電体プレートを通過させて、前記レーザパルス列の各パルスを
    、前記レーザパルス列が形成する径路と前記誘電体プレートとの間の角度に応じ
    て可変的に流束量調整するステップから構成されることを特徴とする請求項１７
    に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記調整のステップがさらに、前記多層の誘電体プレートによ
    って生じる前記パルスの径路の移動を補償するステップを具えていることを特徴
    とする請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記調整のステップが、１つ以上のビーム減衰器を可制御的に
    平行移動させて、パルス列の各パルスが、前記１つ以上のビーム減衰器のいずれ
    も通過しないか、あるいはこれらのビーム減衰器のうちの１つを通過するように
    するステップから構成されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記調整のステップが、前記レーザパルスに、１つ以上の可制
    御的に移動可能なビーム減衰器を通過させて、パルス列の各パルスが前記１つ以
    上のビーム減衰器のいずれも通過しないか、あるいはこれらのビーム減衰器のう
    ちの１つ以上を通過するようにするステップから構成されることを特徴とする請
    求項１７に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記平行移動のステップが、前記パターン化した小ビームの位
    置を、前記パターン化した小ビームが形成する径路に垂直な、互いに直交する２
    つの方向に可制御的に平行移動させるステップから構成されることを特徴とする
    請求項１７に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記平行移動のステップが、前記試料の位置を、前記パターン
    化した小ビームが形成する径路に垂直な、互いに直交する２方向に可制御的に平
    行移動させるステップを具えていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記平行移動のステップが、前記試料の位置を、前記パターン
    化した小ビームが形成する径路に垂直な、互いに直交する２方向、及び前記パタ
    ーン化した小ビームが形成する径路に平行な方向に可制御的に平行移動させるス
    テップを具えていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
JP2001522580A 1999-09-03 2000-08-29 順次側方凝固法を用いた低温での単結晶または多結晶のシリコンフィルムの生産システム及び方法 Pending JP2003509845A (ja)

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