JP2004031810A

JP2004031810A - 半導体薄膜の結晶化方法及び結晶化装置

Info

Publication number: JP2004031810A
Application number: JP2002188412A
Authority: JP
Inventors: Arichika Ishida; 石　田　有　親
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP4417613B2

Abstract

【課題】半導体薄膜を高品質に結晶化できる半導体薄膜の結晶化方法の提供。
【解決手段】本発明に係る製造装置は、２次元（ＸＹ）方向に移動可能なステージ１１と、ステージ１１に真空吸着されるガラス基板１と、ステージ１１の移動を制御するステージ移動制御部１２と、エキシマレーザー光を放射するレーザー光源１３と、エキシマレーザー光を屈折させる屈折光学系１４と、スリット１５が形成されたマスク１６と、マスク１６のスリット１５を通過したレーザー光を集光させるレンズ１７と、レンズ１７の焦点調節を行う焦点調節部１８とを備えている。マスク１６に細長状のスリット１５を形成し、このスリット１５の長手方向をガラス基板１の成形時の掃引方向に略直交する方向に配置し、ステージ１１をガラス基板１の成形時の掃引方向に略平行に移動させるようにしたため、ガラス基板１の凹凸の影響を受けずに、ガラス基板１の全面にわたってレーザー光の焦点調整が可能になる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス（ＯＥＬＤ）表示装置等において、画素表示用トランジスタや駆動回路用トランジスタの活性層として用いられる半導体薄膜の結晶化方法及び結晶化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上のポリシリコンＴＦＴにより駆動回路を形成する液晶表示装置やＯＥＬＤ表示装置が実用化されている。ポリシリコンＴＦＴの活性層であるポリシリコン膜の形成方法として、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン膜にエキシマレーザー光を照射して溶融結晶化させる、いわゆるエキシマレーザーアニール法が広く用いられている。
【０００３】
図６はエキシマレーザーアニールの原理図である。ガラス基板２１上に形成された非晶質シリコン膜２２に、パルス発振しているエキシマレーザー光を照射して溶融結晶化させる。エキシマレーザー光のパルスごとに基板への照射位置を変え、膜全面を結晶化させる。この際、エキシマレーザー光のエネルギーが過剰になると、膜はポリシリコンとはならず非晶質化する。これは、エキシマレーザーアニールの成長時に、ガラス基板２１と非晶質シリコン２２の界面に残った核から結晶が成長するためである。過剰なエネルギーを照射して膜を完全に溶融させると、膜を急冷させる際に、核発生する前に固化してしまい、結晶質にはならない。
【０００４】
一方、ポリシリコンの粒径を大きくして膜中のキャリア移動度を向上させるために、膜を完全溶融させる方法の研究が進められている。図７はこの種の方法を説明する原理図である。予め一部が結晶化している膜に、マスク２３を介して、シリコンが完全に溶融する程度のエネルギーのエキシマレーザー光を照射する。この際、レーザー光の照射エッジが急峻になり、膜の溶融している部分と溶融していない部分との境界を核として、横方向に結晶が成長する。エキシマレーザーの照射エリアをパルスごとに横方向にずらして照射することで、粒径を大きくして膜の全面を結晶化させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような結晶化方法は、１９８０年代にＳＯＩデバイスのための結晶化方法として研究され、公知である。この方法をガラス基板上に適用する場合、基板全面にわたって結晶化させるのは困難である。その理由を以下に説明する。膜を完全溶融させる図７の結晶化方法では、光路の中途で、マスクを介して焦点深度の浅いレンズでエキシマレーザー光を集光させたパターン光を膜に照射する。その理由は、このような完全溶融を行う結晶化方法では、パルス１回あたりの成長長さが２μｍ以下程度であるため、固体〜液体の界面を作るレーザー光のエッジ位置を、高精度に制御する必要があるためである。
【０００６】
しかしながら、通常のガラス基板の板厚には数１０μｍ程度のうねりがある。基板ステージの平面度を高めてガラス基板を吸着しても、ガラス基板の板厚のうねりにより、フォーカスがずれてパターン光がぼけてしまう。うねりに対処するには、オートフォーカスを使用することが容易に考えられるが、オートフォーカスの精度を上げるには、レーザー光の１パルス当たりの照射面積を小さくしなければならず、ガラス基板全面にレーザー光を照射するのに時間がかかることから、生産性が著しく低下する。また、研磨等によりガラスの板厚のうねりを除去すると、その分だけ製造コストが高くなる。
【０００７】
このように、従来の手法では、ガラス基板全面を生産性よく結晶化させることは困難である。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体薄膜を高品質に結晶化できる半導体薄膜の結晶化方法及び結晶化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、ガラス基板上に形成された半導体薄膜に対して、マスクのスリットを通過したエネルギービームを投射レンズで集光して照射し、照射位置周辺の半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法であって、前記マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるように前記マスクを配置する。
【００１０】
本発明では、マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるようにマスクを配置するため、ガラス基板に凹凸があっても、ガラス基板の全面にわたって投射レンズの焦点を合わせることができる。
【００１１】
また、本発明は、ガラス基板上に形成された半導体薄膜に対して、マスクの複数のスリットを通過したエネルギービームを投射レンズで集光して照射し、照射位置周辺の半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法において、前記マスクの複数のスリットを通過した複数のエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるように前記マスクを配置する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体薄膜の結晶化方法および結晶化装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１３】
本発明者は、ガラス基板の板厚のばらつきによって発生する焦点誤差に対処するため、ガラス基板の板厚のばらつきを測定した。図１は典型的なガラスの板厚の目標板厚からのズレをμｍで示している。図示のように、ガラスの板厚の変動は、ひだ状に分布しており、板の一方向に向かっては均一な板厚であることがわかる。
【００１４】
多数のガラスを調査したところ、この分布は大型の薄板ガラスの製造工程に固有の分布であることがわかった。
【００１５】
図２は大型の薄板ガラスの製造工程を示す図である。大型の薄板ガラスの製造工程においては、溶融したガラス１を炉２から流し出して、板状に成形し（図２（ａ））、これに引き続き、板状に成形したガラス１をローラ３間で圧延して成形する場合（図２（ｂ））がある。
【００１６】
以下、この図を用いて薄板ガラスの製造方法を説明する。まず、溶融したガラス１を炉２から流し出して、板状に成形する（図２（ａ））。次に、板状に成形したガラス１をローラ３間で圧延して成形する（図２（ｂ））。
【００１７】
図２（ａ）の場合も図２（ｂ）の場合も、同一方向（図示の矢印Ａの方向）にガラスを掃引している。このため、ガラスを炉２から流し出す際に炉２の端部の微妙な形状変化の影響により、あるいは圧延ローラ３の微妙な変化の影響により、掃引方向に直交する方向Ｂで、図２（ｃ）に示すように板厚が変動してしまう。
【００１８】
一方、ガラス１の掃引方向に直交する方向Ｂに対しては、ガラス一枚程度の短い距離では大きな変動はなく、板厚は略均一である。
【００１９】
本実施形態では、このようなガラス基板の板厚の変動方向を考慮に入れてレーザー光を照射するものである。
【００２０】
（第１の実施形態）
図３は本発明に係る半導体薄膜の結晶化装置の第１の実施形態を示す概略的なブロック図である。図３の結晶化装置は、２次元（ＸＹ）方向に移動可能なステージ１１と、ステージ１１に真空吸着されるガラス基板１と、ステージ１１の移動を制御するステージ移動制御部１２と、エキシマレーザー光を放射するレーザー光源１３と、エキシマレーザー光を屈折させる屈折光学系１４と、スリット１５が形成されたマスク１６と、マスク１６のスリット１５を通過したレーザー光を集光させるレンズ１７と、レンズ１７の焦点調節を行う焦点調節部１８とを備えている。レンズ１７の焦点深度は、１μｍ程度の解像度を得るためには５μｍ程度である。
【００２１】
ステージ１１の表面精度は±１μｍ以内に仕上げられているが、ステージ１１に吸着されたガラス基板１は上述したように板厚にばらつきがあるため、ステージ１１面からの高さが不均一である。
【００２２】
マスク１６に形成されたスリット１５は、図３に示すように細長状である。本実施形態では、スリット１５の長手方向をガラス基板１の成形時の掃引方向（図３の方向Ｘ）に略平行に配置する点に特徴がある。このように配置することで、ガラス基板１に照射されるレーザー光の全長にわたって焦点を合わせることができる。
【００２３】
レーザー光源１３は、レーザー光を一定周波数でパルス状に発信する。ステージ移動制御部１２は、スリット１５を通過したレーザー光の長手方向と略直交する方向にステージ１１を一定の速度で動かす。このとき、焦点調節部１８は、ガラス基板１の表面と投影レンズ１７との距離を測定し、その距離を一定に保つようにステージ１１と投影レンズ１７との間の距離を調整する。
【００２４】
１回で照射されるレーザー光の全長にわたって、ガラス基板１の板厚は略一定であるため、レーザー光の照射面積を大きくても、レーザー光の全長にわたって焦点がずれなくなる。
【００２５】
これに対して、ガラスの成形時の掃引方向に対してレーザー光の照射方向を制御しなかった場合、１回に照射されるレーザー光の照射面積内でガラス基板１の高さにばらつきが生じ、レーザー光の全長にわたって焦点を合わせることができなくなる。このため、図４のようにスリット１５の長手方向をガラス基板１の成形時の掃引方向と略直交する方向に配置した場合は、レーザー光の照射面積を小さくせざるを得ない。ところが、レーザー光の照射面積を小さくすると、ガラス基板１の全面にレーザー光を照射するのに時間がかかり、生産性が著しく低下する。
【００２６】
このように、本実施形態では、マスク１６に細長状のスリット１５を形成し、このスリット１５の長手方向をガラス基板１の成形時の掃引方向に略直交する方向に配置し、ステージ１１をガラス基板１の成形時の掃引方向に略平行に移動させるようにしたため、ガラス基板１の凹凸の影響を受けることなく、ガラス基板１の全面にわたってレーザー光の焦点を合わせることができる。したがって、レーザー光の照射面積を大きくでき、生産性の向上が図れる。
【００２７】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、細長状のスリット１５を有するマスク１６を用いてポリシリコン膜を形成する例を説明したが、一回に照射するエリアの縦横比が異なるスリット１５であれば、スリット１５の形状は特に問わない。例えば、図５は結晶粒の位置制御の目的でＶ字形のスリット１５を一列に並べて配置したマスク１６を用いる例を示している。図５の場合、複数のスリット１５の並ぶ方向をガラス基板１の成形時の掃引方向に対して略直交する方向に配置し、ステージ１１をガラス基板１の成形時の掃引方向に略平行に移動させる。これにより、第１の実施形態と同様に、ガラス基板１の凹凸の影響を受けなくなり、生産性の向上が図れる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるようにマスクを配置するため、ガラス基板に凹凸があっても、その影響を受けることなく、ガラス基板の全面にわたって投射レンズの焦点を合わせることができる。したがって、投射レンズの照射面積を大きく設定でき、短時間で効率的に半導体薄膜を結晶化させることができるため、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的なガラスの板厚の目標板厚からのズレを示す図。
【図２】大型の薄板ガラスの製造工程を示す図。
【図３】本発明に係る半導体薄膜の結晶化装置の第１の実施形態を示す概略的なブロック図。
【図４】スリットの長手方向をガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向に配置した例を示すブロック図。
【図５】結晶粒の位置制御の目的でＶ字形のスリットを一列に並べて配置したマスクを用いた例を示す図。
【図６】エキシマレーザーアニールの原理図。
【図７】ポリシリコンの粒径を大きくして膜中のキャリア移動度を向上させるために、膜を完全溶融させる方法を説明する原理図。
【符号の説明】
１　ガラス
２　炉
３　ローラ
１１　ステージ
１２　ステージ移動制御部
１３　レーザー光源
１４　屈折光学系
１５　スリット
１６　マスク
１７　レンズ
１８　焦点調節部

Claims

ガラス基板上に形成された半導体薄膜に対して、マスクのスリットを通過したエネルギービームを投射レンズで集光して照射し、照射位置周辺の半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法であって、
前記マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるように前記マスクを配置することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
ガラス基板上に形成された半導体薄膜に対して、マスクの複数のスリットを通過したエネルギービームを投射レンズで集光して照射し、照射位置周辺の半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法において、
前記マスクの複数のスリットを通過した複数のエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるように前記マスクを配置することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
前記ガラス基板を前記ガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向に所定距離ずつ移動させるステップと、
各移動位置で前記投射レンズの焦点調節を行うステップと、
前記焦点調節後に、前記マスクを通過したエネルギービームを前記投射レンズで集光させて前記前記半導体薄膜を溶融させるステップと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
前記エネルギービームは、エキシマレーザービームであり、
非晶質シリコンからなる前記半導体薄膜に前記エキシマレーザービームを照射してポリシリコン膜を形成することを特徴とする請求項１及至３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法。
レーザー光を放射するレーザー光源と、
レーザー光を通過させるスリットが形成されたマスクと、
前記マスクのスリットを通過したレーザー光を集光して半導体薄膜に照射する投射レンズと、を備え、
照射されたレーザー光により前記半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化装置であって、
前記マスクは、前記スリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるように配置されることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
レーザー光を放射するレーザー光源と、
レーザー光を通過させる複数のスリットが形成されたマスクと、
前記マスクの複数のスリットを通過したレーザー光を集光して半導体薄膜に照射する投射レンズと、を備え、
照射されたレーザー光により前記半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化装置であって、
前記マスクは、前記複数のスリットを通過した複数のエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向になるように配置されることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。