JP2004119900A - 半導体薄膜の結晶化方法およびレーザ照射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スーパーラテラル成長による半導体薄膜の結晶化工程において、結晶化に要する時間を短くする。
【解決手段】半導体薄膜にマスク３を介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法において、等間隔ｐで並ぶｋ個のスリットが設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎にスリットが並ぶ方向にｄ＋Δｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させながらレーザ光を照射する。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体薄膜にマスク３を介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法において、等間隔ｐで並ぶｋ個のスリットが設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎にスリットが並ぶ方向にｄ＋Δｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させながらレーザ光を照射する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を照射して半導体薄膜を結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法および半導体薄膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非晶質シリコン薄膜に対してレーザ光を照射することによって６００℃以下の低温で非晶質シリコン薄膜を結晶化させる技術を用いて、ガラス基板に多結晶シリコンからなる薄膜トランジスタ（Ｐ−ＳｉＴＦＴ）を形成した表示装置が、低価格で供給されるようになっている。
【０００３】
このＰ−Ｓｉ ＴＦＴは、キャリア（電子）の移動度が高いため、非晶質シリコンからなる薄膜トランジスタ（ａ−ＳｉＴＦＴ）と比べて、多くの利点を有している。例えば、表示装置の画素部分にスイッチング素子としてＰ−Ｓｉ ＴＦＴを設けた場合、画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路等をＰ−ＳｉＴＦＴによって構成することができるため、駆動回路、周辺回路等を画素部と同じ一枚の基板上に作製することができる。このため、ドライバＩＣ、駆動回路用基板等を別途作製して表示装置に実装する必要がなくなり、表示装置を低価格で供給することが可能となる。さらに、Ｐ−ＳｉＴＦＴによれば、トランジスタの寸法を微細化することができるので、画素部分に設けられるスイッチング素子が小さくなり、表示装置を高開口率化することができる。このため、高輝度、かつ、高精細な表示装置を供給することが可能となる。
【０００４】
以下に、レーザ光を用いた一般的な従来の半導体薄膜の結晶化方法について説明する。
【０００５】
図７は、従来の半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【０００６】
この従来の半導体薄膜の結晶化方法では、予め非晶質シリコン薄膜を成膜したガラス基板１２５を４００℃程度に加熱し、長さ２００ｍｍ〜４００ｍｍ、幅０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の線状のレーザ光１２６を、ガラス基板１２５に対して一定速度で矢印方向に走査しながら、ガラス基板１２５上に照射する。この方法によって、粒径０．２μｍ〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このとき、レーザ光１２６が照射された部分の非晶質シリコン薄膜は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域がガラス基板１２５の表面側に残るため、レーザ照射部分全面にわたって、いたるところに結晶核が発生して、その結晶核からシリコン薄膜の最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。
【０００７】
さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくするか、または結晶方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得るために、多くの研究開発がなされている。
【０００８】
スリット状のレーザパルスをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
以下に、特許文献１に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法について説明する。
【００１０】
図８は、一回のレーザパルス照射で形成される針状結晶組織を説明するための模式図である。
【００１１】
例えば、幅２μｍ〜３μｍのスリット状のレーザパルスを照射することによって、レーザ照射領域１２１が溶融し、未溶融領域と溶融領域との境界１２０ａから溶融領域に向かって横方向（ガラス基板に水平な方向）１２２に結晶が成長する。そして、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶同士が衝突し、成長が終了する。これによって、結晶方位が揃った結晶領域１２３が形成される。このように、ガラス基板に水平な方向１２２への結晶成長をスーパラテラル成長と称し、ガラス基板に水平な方向１２２をスーパーラテラル成長方向と称する。
【００１２】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、それぞれ、複数回のレーザパルス照射によるスーパーラテラル成長の様子を説明するための模式図である。
【００１３】
まず、図９（ａ）に示すように、１回目のレーザパルス照射（１２１ａで示す領域）で形成された針状結晶１２３ａの一部に重複するように２回目のレーザパルス照射（１２１ｂで示す領域）を行う。これによって、図９（ｂ）に示すように、１回目のレーザパルス照射で形成された針状結晶１２３ａを引き継いで、２回目のレーザパルス照射によってさらに長い針状結晶１２３ｂが形成される。次に、図９（ｂ）に示すように、２回目のレーザパルス照射（１２１ｂで示す領域）で形成された針状結晶１２３ｂの一部に重複するように３回目のレーザパルス照射（１２１ｃで示す領域）を行う。４回目のパルス照射も同様に、３回目のレーザパルス照射で形成された針状結晶の一部に重複するように行うことによって、図９（ｃ）に示すように、３回目のレーザパルス照射で形成された針状結晶を引き継いで、４回目のレーザパルス照射によってさらに長い針状結晶１２３ｄが形成される。同様に、図９（ｃ）に示すように、ｎ−１回目のレーザパルス照射（１２１ｄで示す領域）で形成された針状結晶１２３ｄの一部に重複するようにｎ回目のレーザパルス照射（１２１ｅで示す領域）を行う。以降、同様にレーザパルスの照射位置を移動させながら、シリコン薄膜へのレーザ光照射を行う。
【００１４】
図８に示すように、スーパーラテラル成長は、レーザパルスを１回照射することによって完了するが、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、１回前のレーザパルス照射で形成された針状結晶の一部に重複するようにレーザパルス照射位置を移動させながら順次レーザパルスを照射することによって、既に成長した結晶を引き継いで、さらに長い針状結晶が成長し、結晶成長方向に結晶方位が揃った長結晶が得られる。
【００１５】
【特許文献１】
特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０６８５９号公報
【００１６】
【非特許文献１】
応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキストｐ．１９〜ｐ．２５
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されている半導体薄膜の結晶化方法（スーパーラテラル成長）において、１回のパルス照射で成長する結晶の長さは、成長条件によって異なり、例えば、基板温度３００℃において、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを照射した場合には、最長１μｍ〜１．２μｍ程度の長さとなることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１８】
従って、長結晶を得るためには、１回のレーザ照射で成長する結晶の長さの１／２〜１／３程度の間隔、すなわち、０．３μｍ〜０．６μｍ程度の極めて微小な間隔でパルス照射を繰り返し行うことになる。このため、基板面積全体にわたって成膜されたシリコン薄膜を結晶化するためには、極めて長い時間が必要であった。
【００１９】
結晶化に要する時間を短縮するための方法として、スリット状の光透過部を設けたマスクを用いて、基板面にマスク像を結像させる方法が記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【００２０】
図１０は、特許文献２に記載されている半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【００２１】
この半導体薄膜の結晶化方法では、予め非晶質シリコン薄膜を成膜したガラス基板１５５に対して、スリット状の光透過部を設けたマスクを介してレーザパルスを照射し、１回前のレーザパルス照射で形成された結晶の一部に重複するようにレーザパルス照射位置を移動させながら、順次レーザパルスを照射することによって照射領域１４４を結晶化させる。このときのレーザパルス照射位置は、隣接するスリットによる照射位置と重ならないように、各スリットの間隔内で移動される。そして、１つの照射領域１４４（幅ｂ）が結晶化されると、次の領域（矢印１４４ａ方向）に照射位置を移動させて結晶化を行い、１段目の各領域（幅ａ）が結晶化されると、次の段（矢印１４４ｂ方向）に照射位置を移動させて結晶化を行う。
【００２２】
この特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法では、１回のレーザ照射によって成長される結晶の長さは、スリット状光透過部の間隔と結像光学系の倍率とによって決定される、スリット状光透過部の像の間隔となる。このため、［ｔａｓａｋｉ１］ 多結晶シリコンは複数の結晶化領域に分割される。この結晶化領域とは、結晶長のほぼ等しい結晶が結晶長の方向と垂直な方向に並んでいる領域であり、スリット状光透過部の像の間隔によって寸法が決定される。従って、形成される多結晶シリコンは、結晶化領域間の移動度はあまり高くないが、一つの結晶化領域内の移動度は高くなる。その結果、ひとつの結晶化領域の寸法を、少なくともひとつのトランジスタを形成可能な寸法とし、ひとつの結晶化領域内にトランジスタを形成することによって、高性能なＴＦＴを作製することができる。
【００２３】
しかしながら、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法では、図１０に示すレーザ照射領域１４４を結晶化し、照射領域を基板上の次の領域（矢印１４４ａ方向または矢印１４４ｂ方向）に移動させて、順次結晶化を繰り返すことになる。このとき、基板またはマスクを次の照射領域に移動する間は、結晶化が行われないため、無駄な時間となる。
【００２４】
以上のように、スーパーラテラル成長では、従来の半導体薄膜の結晶化方法に比べて、良質の結晶を得ることができるが、結晶化に要する時間が非常に長くなり、効率が悪いという問題がある。
【００２５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、良質の結晶性半導体薄膜を効率良く作製することができる半導体薄膜の結晶化方法および半導体薄膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体薄膜の結晶化方法は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法であって、等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群が設けられると共に、該一次光透過部の各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させ、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
本発明の半導体薄膜の結晶化方法は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法であって、等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させ、そのことにより上記目的が達成される。
【００２８】
好ましくは、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させながら、一定時間毎にレーザ照射を行う。
【００２９】
好ましくは、前記Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さの１／３倍以上１／２倍以下の距離である。
【００３０】
本発明のレーザ照射装置は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介してレーザ光を照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させると共に、レーザ光の照射位置を変えて順次レーザ光を照射して結晶成長させるレーザ照射装置であって、レーザ放射手段と、予め半導体薄膜が成膜された基板を移動保持する基板移動保持手段と、等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群が設けられると共に、該一次光透過部の各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクと、該基板と該レーザ放射手段との間に配置され、該マスクを移動保持するマスク移動保持手段と、該基板の位置情報を基にして該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方の位置を制御する位置制御手段と、該基板の位置情報を基にして該レーザ放射手段によるレーザ照射をｏｎ／ｏｆｆ制御するレーザ照射制御手段とを有し、該位置制御手段は、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置が移動するように、該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方を制御し、該レーザ照射制御手段は該レーザ放射手段を制御し、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
本発明のレーザ照射装置は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介してレーザ光を照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させると共に、レーザ光の照射位置を変えて順次レーザ光を照射して結晶成長させるレーザ照射装置であって、レーザ放射手段と、予め半導体薄膜が成膜された基板を移動保持する基板移動保持手段と、等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部が設けられたマスクと、該基板と該レーザ放射手段との間に配置され、該マスクを移動保持するマスク移動保持手段と、該基板の位置情報を基にして該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方の位置を制御する位置制御手段と、該基板の位置情報を基にして該レーザ放射手段によるレーザ照射をｏｎ／ｏｆｆ制御するレーザ照射制御手段とを有し、該位置制御手段および該レーザ照射制御手段は、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置が移動するように、該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方を制御し、該レーザ照射制御手段は該レーザ放射手段を制御し、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
好ましくは、前記位置制御手段は、前記マスク移動保持手段と前記基板移動保持手段とを相対的に一定速度で移動させ、前記レーザ照射制御手段は、一定時間毎にレーザ照射が行われるように該レーザ放射手段を制御する。
【００３３】
好ましくは、前記Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さの１／３倍以上１／２倍以下の距離である。
【００３４】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３５】
本発明にあっては、等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群（例えばスリット状光透過部）が設けられると共に、各一次光透過部から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。例えば、ｉ＋１回目のレーザ光照射時には、ｊ番目の一次光透過部を透過したレーザ光によって、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋１番目の一次光透過部（ｊ番目の一次光透過部に対して結晶成長方向側に隣接する一次光透過部）を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長する。同様に、ｉ＋１回目のレーザ光照射時には、ｊ番目の一次光透過部からｋ番目の二次光透過部を透過したレーザ光によって、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋１番目の一次光透過部からｋ番目の二次光透過部を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長する。また、ｉ＋１回目のレーザ光照射時に、ｊ＋１番目の一次光透過部を透過したレーザ光が照射される領域では、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋２番目の一次光透過部を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長するため、全体として流れ作業のように結晶化が行われる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。
【００３６】
また、本発明にあっては、等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部（例えばスリット状光透過部）が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。これによって、ｉ＋１回目のレーザ光照射時には、ｊ番目の光透過部を透過したレーザ光によって、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋１番目の光透過部（ｊ番目の光透過部に対して結晶成長方向側に隣接する光透過部）を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長する。また、ｉ＋１回目のレーザ光照射時に、ｊ＋１番目の光透過部を透過したレーザ光が照射される領域では、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋２番目の光透過部を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長するため、全体として流れ作業のように結晶化が行われる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。また、全部の光透過部が等間隔に設けられているため、一次光透過部と二次光透過部とが設けられたマスクに比べて、レーザ光照射工程の次数ｎによって決定される結晶の長さを、マスクを変更することなく容易に変更することができる。
【００３７】
さらに、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度ｖで移動させながら、一定時間（１／ｆ）毎にレーザ照射を行うことによって、レーザ光の照射毎にマスクまたは半導体薄膜（半導体薄膜が成膜された基板）を静定する必要が無いため、高速にレーザ照射することができる。また、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させつつ、一定時間毎にレーザ照射を行うことができるため、容易に照射位置を制御してレーザ光を照射することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態であるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。この図において、点線はレーザ光の照射経路を示し、矢印は制御信号、位置情報等の流れを示している。
【００４０】
このレーザ照射装置１００は、半導体薄膜の結晶化工程において用いられ、レーザ放射手段１、レーザ光学手段２、マスク３、マスクＸＹステージ４、マスク像結像手段５、基板６、基板ＸＹステージ７、基板ＸＹステージ位置制御部８、マスクＸＹステージ位置制御部９、レーザ照射制御部１０およびメインコントローラ１１を備えている。
【００４１】
レーザ放射手段１からは、シリコンを溶融することが可能なパルス状のレーザが出射される。このようなレーザ放射手段１としては、例えば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザ発信器など、紫外域の波長を有する光を出射する光源を用いることが望ましい。本実施形態では、波長３０８ｎｍの波長を有する光を出射するエキシマレーザ発信器を用いた。
【００４２】
レーザ光学手段２は、可変減衰手段２ａ、レーザ整形手段２ｂ、照度均一化手段２ｃ、３つの放射方向変更手段２ｄ、１２ｄ、２２ｄおよびレンズ２ｅによって構成されており、レーザ放射手段１から入射されたレーザ光が整形・均一化されるようになっている。
【００４３】
レーザ放射手段１から出射されたレーザ光は、ミラー、レンズなどによって構成されている放射方向変更手段２ｄによって放射方向が変更され、可変減衰手段２ａに入射される。
【００４４】
可変減衰手段２ａは、複数のフィルター１２ａおよび２２ａによって構成されている。可変減衰手段２ａに入射されたレーザ光は、基板面に照射されるレーザ光の放射照度が所定の照度となるように減衰され、レーザ整形手段２ｂに入射される。
【００４５】
レーザ整形手段２ｂは、複数のレンズ１２ｂ、２２ｂおよび３２ｂによって構成されている。レーザ整形手段２ｂに入射されたレーザ光は、予め定められた直径の光束に整形され、放射方向変更手段１２ｄによって放射方向が変更されて、照度均一化手段２ｃに入射される。
【００４６】
照度均一化手段２ｃは、不均一であるビームの放射照度を均一化する手段であり、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを用いて、ガウシアン型放射照度分布のビームを一旦分散してマスク３の表面に再度重ね合わせて放射することなどによって実現される。本実施形態では、２組のシリンドリカルレンズアレイ１２ｃおよび２２ｃ、３２ｃおよび４２ｃと、コンデンサレンズ５２ｃとによって構成されている。一つの方向について均一化するためには２つ（一組）のシリンドリカルレンズアレイが必要とされ、Ｘ方向、Ｙ方向について、それぞれ均一化するために２つのレンズアレイが必要になるため、合計で４つのシリンドリカルレンズアレイ１２ｃ、２２ｃ、３２ｃおよび４２ｃを用いている。シリンダの配置方向は、１２ｃおよび２２ｃと、３２ｃおよび４２ｃとで互いに直交する位置関係とされている。照度均一化手段２ｃに入射されたレーザ光は、２組のレンズアレイ１２ｃおよび２２ｃと３２ｃおよび４２ｃとによって分割されて、それぞれの光がレンズ５２ｃによって集光され、レンズ２ｅを介してマスク３に照射されるようになっている。これによって、レーザ光の不均一な放射照度を均一化して、放射照度が均一化されたレーザ光をマスク３に入射させることができる。
【００４７】
マスク３は、ｋ個のスリット状光透過部が設けられている。マスク３のスリット状光透過部は、半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときに、スリット幅ｑおよびピッチｐの等間隔のｋ個のスリットが得られるように構成されている。レーザ光学手段２から照射されたレーザ光は、マスク３に設けられたスリット状光透過部を透過し、放射方向変更手段２２ｄによって放射方向が変更されて、マスク像結像手段５を介して基板６の表面に照射される。
【００４８】
マスク像結像手段５は、複数のレンズ５ａ〜５ｄによって構成されており、マスク３のスリット状光透過部を透過して形成されたスリット状レーザ光を所定の倍率で拡大し、基板６に成膜された半導体薄膜の表面にマスク像として結像させるようになっている。これによって、基板６上に成膜された半導体薄膜にスリット状レーザ光が照射され、半導体薄膜が結晶化される。
【００４９】
上記マスク３は、ＸＹ方向に移動可能なマスクＸＹステージ４に搭載されている。このマスクＸＹステージ４は、例えば、駆動源がリニアモータ（図示せず）によって構成され、案内部がボールベアリングもしくはエアーベアリング（図示せず）によって構成されたＸステージ４ａおよびＹステージ４ｂが重ねられており、Ｘステージ４ａまたはＹステージ４ｂにマスク３が搭載されている。これによって、マスク３はＸＹ平面内で任意の方向に移動可能となっている。
【００５０】
マスクＸＹステージ４は、マスクＸＹステージ位置制御部９によって移動速度、位置等が制御されている。例えば、マスクＸＹステージ４に搭載されているマスクＸリニアスケール（図示せず）およびマスクＹリニアスケール（図示せず）の出力パルスを位置検出信号としてスケールカウンタにてカウントし、そのカウント値によってマスクＸＹステージ４の現在位置を検出すると共に、出力パルスの周期を計測することによってマスクＸＹステージ４の移動速度を検出することができる。マスクＸＹステージ位置制御部９は、検出した現在位置および移動速度を基に、マスクＸリニアモータおよびマスクＹリニアモータを駆動制御して、マスクＸＹステージ４の位置および移動速度を制御することができる。
【００５１】
また、上記基板６は、ＸＹ方向に移動可能なマスクＸＹステージ７に搭載されている。この基板ＸＹステージ７は、例えば、駆動源がリニアモータ（図示せず）によって構成され、案内部がボールベアリングもしくはエアーベアリング（図示せず）によって構成されたＸステージ７ａおよびＹステージ７ｂが重ねられており、Ｘステージ７ａまたはＹステージ７ｂに基板６が搭載されている。これによって、基板６をＸＹ平面内で任意の方向に移動可能せしめている。
【００５２】
基板ＸＹステージ７は、基板ＸＹステージ位置制御部８によって移動速度、位置等が制御されている。例えば、基板ＸＹステージ７に搭載されている基板Ｘリニアスケール（図示せず）および基板Ｙリニアスケール（図示せず）の出力パルスを位置検出信号としてスケールカウンタにてカウントし、そのカウント値によって基板ＸＹステージ７の現在位置を検出すると共に、出力パルスの周期を計測することによって基板ＸＹステージ７の移動速度を検出することができる。基板ＸＹステージ位置制御部８は、検出した現在位置および移動速度を基に、基板Ｘリニアモータおよび基板Ｙリニアモータを駆動制御して、基板ＸＹステージ７の位置および移動速度を制御することができる。
【００５３】
また、レーザ放射手段１は、レーザ照射制御部１０によってレーザ照射のＯＮ／ＯＦＦが制御されるようになっている。
【００５４】
さらに、基板ＸＹステージ位置制御部８、マスクＸＹステージ位置制御部９およびレーザ照射制御部１０は、メインコントローラ１１から各種の制御信号が入力されるようになっている。また、各制御部８〜１０からメインコントローラ１１に対して、位置情報などの各種情報が出力されるようになっている。メインコントローラ１１は、基板６に対して所望位置でレーザ照射が行われるように、各ステージ、制御部等に対する動作指令が制御信号として順次出力されるように設定されており、各制御部８〜１０に対して適切な制御信号が出力されて、レーザ照射が行われる。
【００５５】
なお、上記説明では、ステージ位置情報を得るためにリニアスケールを用いているが、例えばレーザ測長器のようなものを用いることもできる。また、レーザ照射装置１００は、基板６上の任意の位置に、適切、かつ、均一な照度のスリット状レーザ光を照射することができるものであれば、以上に説明したような装置構成に限定されるものではない。また、前記各放射方向変更手段２ｄ、以下の放射変更手段１２ｄおよび２２ｄは、配置箇所・数量には制限はなく、レーザ照射装置１００の光学設計・機構設計に応じて適切に配置することができる。
【００５６】
次に、本実施形態のレーザ照射装置１００におけるマスク３の構成について、さらに詳細に説明する。
【００５７】
図２（ａ）は、本実施形態のマスク３におけるスリット状光透過部の形状と配置とを示す部分拡大平面図であり、図２（ｂ）は、マスク３の全体のサイズを示す平面図である。なお、本実施形態において、スリット状光透過部を透過したスリット状レーザ光は、マスク像結像手段５によって、一定倍率で半導体薄膜上に結像され、スリット状光透過部の形状と、スリット状レーザ光の形状とは相似である。以下の説明では、マスク３のスリット状光透過部に係わる寸法は、上記一定倍率を考慮して、半導体薄膜上に結像された状態の寸法を示すものとする。
【００５８】
図２（ｂ）において、寸法（縦×横）Ａ×Ｂの矩形状領域である有効領域１２は、１回のパルス状レーザ光によって照射されるマスク３上の領域を示している。なお、上記有効領域１２に対応する半導体薄膜上の領域を照射領域１３と称する。
【００５９】
図２（ａ）に示すように、マスク３におけるスリット状光透過部ｓｌの形状は矩形状であり、スリット幅はｑ（図２においてｐおよびｑが指し示す位置が異なります。また、ｓｌ２が指している場所が違います。）である。また、左端のスリット状光透過部ｓｌ１は、マスク３のエッジから距離ｃの位置に配置されている。各スリット状光透過部ｓｌは、それぞれ、ピッチｐの等間隔で配置され、全部でｋ個のスリット状透過部ｓｌが配置されている。また、マスク３は、寸法ｄのｎ個の領域それぞれにｒ個のスリット状透過部ｓｌがそれぞれ配置されている。すなわち、ｋ、ｎ、ｒには、ｋ＝ｎ×ｒの開係がある。
【００６０】
次に、このように構成された本実施形態のレーザ照射装置１００を用いて、基板に設けられた半導体薄膜の表面全体を結晶化する方法について説明する。
【００６１】
図３は、レーザ光照射領域の移動軌跡を示す平面図である。以下では、基板ＸＹステージ７によって、図中のＸ軸方向にレーザ照射領域を移動させてレーザ光を照射する場合について説明する。ここでは、基板ＸＹステージ７を（＋）Ｘ方向に移動させることによって照射領域１３が図３の左側に移動され、基板ＸＹステージ７を（−）Ｘ方向に移動させることによって照射領域１３が図３の右側に移動されるものとする。また、基板ＸＹステージ７には半導体薄膜が成膜された基板６が搭載され、マスクＸＹステージ５にはマスク３が搭載されており、基板６およびマスク３の各Ｘ軸、Ｙ軸、θ角などを微調整するアライメント作業は既に終了しているものとする。
【００６２】
まず、予めプログラムに入力された開始位置座標がメインコントローラ１１から基板ＸＹステージ位置制御部８に入力され、基板Ｘリニアモータを所望の位置に移動させることによって、照射開始位置である、被結晶化領域１４の左上端部４０に、照射領域１３が移動される。
【００６３】
次に、照射領域１３が被結晶化領域１４の左端にある場合には、照射領域１３が被結晶化領域１４の右端に達するまで、基板ＸＹステージ７を（−）Ｘ方向（左方向）に移動させる。基板ＸＹステージ７の移動が開始されると、基板Ｘリニアスケールから出力パルスが出力され、基板ＸＹステージ７の位置情報が基板ＸＹステージ位置制御部８およびメインコントローラ１１に入力される。そして、基板ＸＹステージ７の位置が予めプログラムに入力されているか、または計算された所望の位置と一致した時点で、メインコントローラ１１からレーザ照射制御部１０にトリガー信号が入力される。これによって、レーザ照射制御部１０からレーザ放射手段１にレーザ発振制御パルス信号が出力され、レーザ放射手段１からレーザ光が発振されて、帯状領域１４ａに対して逆方向帯状領域結晶化工程が行われる。以下、結晶化工程における方向は、基板ＸＹステージの移動方向が（−）Ｘ方向であれば逆方向と称し、（＋）Ｘ方向であれば順方向と称する。
【００６４】
照射領域１３が被結晶化領域１４の右端に達し、被結晶化領域１４から外れると同時にレーザ発振は中断され、基板ＸＹステージ７が減速されて右端で停止する。
【００６５】
その後、基板ＸＹステージ７を（＋）Ｙ方向（下方向）にａだけ移動させて、先の帯状領域結晶化工程とは逆方向である（＋）Ｘ方向に基板ＸＹステージ７を移動させ、所望の位置でレーザ発振させることによって、帯状領域１４ｂに対して順方向帯状領域結晶化工程が行われる。以降同様に、逆方向帯状領域結晶化工程および順方向帯状領域結晶化工程を行い、被結晶化領域１４全体にレーザ光を照射して結晶化することができる。
【００６６】
なお、照射領域１３は、基板６とマスク３とを相対的に移動させることによって移動させることができ、基板ＸＹステージ７およびマスクＸＹステージ４のいずれか一方、または両方を移動させることができる。
【００６７】
次に、半導体薄膜の結晶化工程について、さらに詳細に説明する。
【００６８】
図４（ａ）〜図４（ｆ）は、それぞれ、上記逆方向帯状領域結晶化工程において帯状領域が結晶化されていく様子を説明するための図である。図４（ａ）、図４（ｃ）および図４（ｅ）は、それぞれ、マスク３と基板６との位置関係を示す平面図であり、図４（ｂ）、図４（ｄ）および図４（ｆ）は、それぞれ、半導体薄膜の結晶成長状態を示す模式図である。なお、ここでは、マスク３を右へ移動させるのではなく、基板６を左へ移動させることによって照射領域を右へ移動させている。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示す第１次結晶化工程において、マスク３の有効領域Ｅにレーザ光を照射して、半導体薄膜の領域Ａを結晶化させる。このとき、図２（ａ）に示すスリット状光透過部ｓｌ３を透過して半導体薄膜上の領域１５に結像されたレーザ光によって結晶化された結晶の様子を、図４（ｂ）に示す。２１ａは、第１次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ３を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域であり、２１ｂは、次の第２次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ２を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域である。
【００７０】
次に、図４（ｃ）に示す第２次結晶化工程において、基板６を左側にｄ＋Δｄだけ移動させて、マスク３の有効領域にレーザ光を照射する。このときの移動距離Δｄは、半導体薄膜をスーパーラテラル成長させるためのもので、一回のレーザ照射によって形成または成長される結晶の長さの１／３倍から１／２倍程度の長さに設定することが望ましい。第２次結晶化工程と第１次結晶化工程とで重複する領域Ｇにおいて、スリット状光透過部を透過したレーザ光によって形成された個々の結晶は、第１次結晶化工程によって成長された結晶を引き継いで結晶成長する。このとき、第１次結晶化工程において図２（ａ）に示すスリット状光透過部Ｓｌ３を透過したレーザ光によって結晶化された結晶を引き継いで、第２次結晶化工程においてスリット状光透過部Ｓｌ２を透過したレーザ光によって、さらに長い針状の結晶が成長する様子を図４（ｄ）に示す。２１ｂは、第２次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ２を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域であり、２１ｃは、次の第３次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ１を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域である。
【００７１】
次に、図４（ｅ）に示す第３次結晶化工程において、基板６を左側にｄ＋Δｄだけ移動させて、マスク３の有効領域にレーザ光を照射する。第３次結晶化工程と第２次結晶化工程とで重複する領域Ｈにおいて、スリット状光透過部を透過したレーザ光によって形成された個々の結晶は、第１次結晶化工程および第２次結晶化工程によって成長された結晶を引き継いで結晶成長する。このとき、第ｗ次結晶化工程において図２（ａ）に示すスリット状光透過部Ｓｌ２を透過したレーザ光によって結晶化された結晶を引き継いで、第３次結晶化工程においてスリット状光透過部Ｓｌ１を透過したレーザ光によって、さらに長い針状の結晶が成長する様子を図４（ｆ）に示す。２１ｃは、第３次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ１を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域であり、２１ｄは、第４次結晶化工程においてｓｌ１と隣接するスリット状光透過部を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域である。
【００７２】
以降、第３次結晶化工程と同様に、第４次結晶化工程、・・・、第ｎ次結晶化工程において基板を左に（ｄ＋Δｄ）だけ移動させてマスク３の有効領域にレーザ光を照射することによって、結晶化領域を拡大することができる。
【００７３】
本実施形態では、照射領域を距離ｄ＋Δｄずつ左から右に移動させながら第１次結晶化工程から第ｎ次結晶化工程までを行うため、照射領域を移動させた帯状領域では、第１次結晶化工程から第ｎ次結晶化工程までが流れ作業のように順次行われ、長い針状結晶からなる結晶化領域が形成される。
【００７４】
次に、順方向帯状領域結晶化工程について説明する。順方向帯状領域結晶化工程は、照射領域の移動方向が右から左であること、第ｎ次結晶化工程、第ｎ−１次結晶化工程、・・・、第２次結晶化工程、第１次結晶化工程の順に結晶化工程が行われること、および結晶の成長方向が右から左であることを除いて、上記逆方向帯状領域結晶化工程と同様であり、逆方向帯状領域結晶化工程と同様の長い針状結晶からなる結晶化領域を形成することができる。
【００７５】
次に、マスク３におけるスリット状光透過部の配置と、照射位置の移動速度およびレーザ照射間隔との関係について説明する。以下では、
基板ＸＹステージの移動速度：ｖ
レーザ発振周波数：ｆ
マスクサイズ（有効領域：縦×横）：Ａ×Ｂ
マスクスリット幅：ｑ
マスクスリットピッチ：ｐ
スリット状透過部のマスクエッジまでの距離：ｃ
結晶引き継ぎ長さ：Δｄ
として説明する。
【００７６】
各結晶化工程で発生する基板移動距離ｄ＋△ｄは、
ｄ＋△ｄ＝ｖ／ｆ
によって表される。また、結晶化工程の次数であるｎは、
ｎ＝ （Ｂ−ｃ）／ｄ
を満たす整数である。さらに、第１次結晶化工程から第ｎ次結晶化工程までの結晶化工程によって成長された結晶長は、マスクスリットピッチｐと同等以上であることが望ましい。従って、
ｎ×Δｄ≧ｐ
を満足することが望ましい。以上によって、
Ｂ≧（（ｖ／ｆ）−△ｄ）×（ｐ／ Δｄ）＋ｃ
と表される。また、マスク３において距離ｄ間に設けられるスリット数ｒは、マスクスリットピッチｐと距離ｄとによって、
ｒ＝ｄ／ｐ
＝（ｖ ／ ｆ−△ｄ）／ ｐ
と表される。
【００７７】
ここで、（１）（ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐ が整数の場合には、
ｒ＝（ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐ
となり、図２に示すように、マスク３のスリット状光透過部ｓｌは、等間隔ｐのピッチで配置される。また、マスク３のスリット状透過部ｓｌの総数ｋは、
ｋ＝ｎ×ｒ
と表される。
【００７８】
一方、（２） （ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐが整数でない場合にはｒは、
ｒ≧（ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐ
を満たす最小の整数とする。従って、マスク３は、図５に示すように、等間隔ｄで並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次スリット群と、一次スリットの各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次スリット群とが設けられたマスクパターンとなる。
【００７９】
上記（１）および（２）のいずれの場合でも、結晶化工程の手順は同様である。但し、全部のスリット状透過部が等間隔に配置される上記（１）の方が、結晶化工程の次数ｎ（所望の長さの針状結晶を成長するまでにレーザ照射を行う回数）を容易に変更することができる。
【００８０】
上記説明では、基板上に設けられた半導体薄膜の全面を結晶化させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、表示装置の駆動回路、周辺回路等を構成する半導体薄膜を作製する場合には、画素領域周辺の額縁領域を結晶化することによって、キャリア移動度の高いシリコンにより高速なトランジスタを作製することができ、画素駆動または信号処理を高速化することができる。以下に、このような額縁領域を結晶化する場合の結晶化工程について、説明する。
【００８１】
図６は、額縁領域を結晶化する場合の照射領域の移動について説明するための平面図である。
【００８２】
まず、基板６の左上端部４０の位置に、レーザ光の照射領域を配置する。そして、基板６の右端に達するまで照射領域を移動させて逆方向帯状領域結晶化工程を行い、幅αの一行分の額縁領域３２ａを結晶化する。次に、矢印４１に示すように、その下の一連の額縁領域３２ｂの行に照射領域を移動させる。そして、照射領域が基板６の左端に達するまで照射領域を移動させて順方向帯状領域結晶化工程を行い、一行分の額縁領域３２ｂを結晶化する。次に、矢印４２に示すように、その下の一連の額縁領域３２ｃの行に照射領域を移動させる。以上の工程を同様に繰り返し、図中Ｘ方向の全ての額縁領域が結晶化されると、基板６の配置または［ｔａｓａｋｉ２］ マスク３の配置を９０度回転させ、Ｙ軸方向に対して上記と同様の結晶化工程を行って、全ての額縁領域３２を結晶化させる。
【００８３】
これによって、高い移動度が要求される額縁領域３２は結晶化され、高い移動度が要求されない画素領域３１は結晶化されないため、基板全面を結晶化させる場合と比較して、製造時間を短縮することができる。通常、額縁領域３２は、全基板面積の１０％から２０％程度であるので、画素領域３１を結晶化しないことによって、大幅に結晶化時間を短縮することができる。
【００８４】
なお、図６では、画素領域３１の四方にある額縁領域３２を結晶化しているが、４つの額縁領域３２のうち、１つ以上の額縁領域について、その全部または一部を結晶化してもよい。その場合には、結晶化された額縁領域に、キャリア移動度の高いシリコンにより高速なトランジスタを作製することができる。
【００８５】
なお、上記実施形態では、照射領域の移動距離をｄ＋△ｄとして説明したが、ｄ−△ｄとしても同様に、半導体薄膜を結晶化することができる。この場合、移動距離をｄ＋△ｄとした場合と比較して、わずかではあるが、移動距離を短くすることができるため、移動速度を遅くするか、または移動時間を短くすることができる。
【００８６】
次に、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法と、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法方法とについて、それぞれの処理速度を比較して説明する。なお、以下では、本実施形態のマスク３において、上記（１）に示すようなマスクパターンを形成した場合について説明する。
【００８７】
レーザパルスを照射してから、次にレーザパルスを照射するまでの時間は、基板６もしくはマスク３を移動させて照射領域を次の照射位置まで移動させる時間、およびレーザ放射手段１において次のパルス照射が可能になるまでの時間のうち、長い方の時間である。
【００８８】
特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法では、照射領域を距離△ｄ（Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけ移動させてレーザパルスを照射する工程を繰り返して１つの照射領域を結晶化させた後に、照射領域を次の領域まで距離ｂ−ｐ（ｂは照射領域の横方向の長さ、ｐは基板面に照射されたスリット状レーザのピッチ）だけ移動させる。照射領域を距離△ｄだけ移動させてレーザパルスを照射するときには、移動距離が極めて短いため、移動はすぐに完了する。従って、レーザパルスを照射してから次にレーザパルス照射をするまでの時間は、レーザ放射手段１において次のパルス照射が可能になるまでの時間と等しくなる。また、１つの照射領域を結晶化させた後に次の領域まで距離ｂ−ｐだけ移動させるときには、移動距離が長いため、移動に時間がかかる。その間、レーザ放射手段１はパルス照射を行わずに待機状態となっている。
【００８９】
一方、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法では、レーザ放射手段１においてレーザパルスを照射してから次のパルス照射が可能になるまでの時間の間に照射領域を移動可能な最長の長さよりも短くなるように、距離ｄ＋△ｄを設定することによって、レーザ放射手段１はパルス照射可能な最も短い周期（照射周波数）でレーザパルスを放射し続けることができる。また、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法のように、１つの照射領域を結晶化させた後に照射領域を次の領域まで長い距離を移動させる必要が無いため、照射領域を次の領域まで移動させるために必要な時間分だけ、処理時間を短くすることができる。
【００９０】
ここで、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法と、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法方法とについて、それぞれの結晶化時間をさらに具体的な数値によって説明する。
【００９１】
なお、両結晶化方法に共通する条件として、
基板６の寸法：３２０ｍｍ×４００ｍｍ
レーザ放射手段１のレーザパルス照射周波数ｆ：３００Ｈｚ
スーパーラテラル成長におけるパルス照射毎の送りピッチ
＝照射領域の移動距離△ｄ：０．５μｍ
と設定する。また、
スーパーラテラル成長による針状結晶の長さ
＝基板面に照射されたスリット状レーザのピッチｐ：５０μｍ
マスク像の結像倍率：１／５
照射領域：２０ｍｍ×２０ｍｍ
マスク面での有効領域：１００ｍｍ×１００ｍｍ
と設定する。
【００９２】
まず、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法によって基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために必要な時間を算出する。
【００９３】
図１０に示すように、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法では、等ピッチで形成したスリット状光透過部を形成したマスクを用いている。この場合、レーザ照射領域１４４毎に結晶化を完了させてから、次の照射領域（矢印１４４ａ方向または矢印１４４ｂ方向）に移動させて基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化させる。
【００９４】
ここで、 図１０に示す１つの照射領域１４４を結晶化させるために必要とされるレーザパルス照射回数ｎは、
（１つの照射領域に対するレーザパルス照射回数ｎ）＝（針状結晶の長さｐ）／（送りピッチΔｄ）＝０．０５／０．０００５＝１００（回）
となる。
【００９５】
１つの照射領域１４４の結晶化させるために必要とされる時間ｔは、
（１つの照射領域を結晶化させる時間ｔ）＝（１つの照射領域に対するレーザパルス照射回数ｎ）／（レーザパルス照射周波数ｆ）＝１００／３００＝０．３３３（秒）
となる。
【００９６】
また、隣接する照射領域への移動は、例えば、基板を移動させることによって行われるが、基板移動と基板静定とに必要とされる時間は、合計０．３秒程度である。
【００９７】
上述したように、基板寸法は３２０ｍｍ×４００ｍｍであるから、
（３２０／２０）×（４００／２０）＝３２０個
の照射領域を順に結晶化させることになる。従って、
（基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために要する時間）＝｛（１つの照射領域を結晶化させる時間）＋（隣接する照射領域への移動時間）｝×（照射領域の数）＝（０．３３３＋０．３）×３２０＝２０３秒
となる。
【００９８】
次に、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法によって基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために必要な時間を算出する。
【００９９】
図３に示す幅ａ（＝２０ｍｍ）の帯状領域１４ａを結晶化するための基板移動速度ｓは、
ｓ＝（ｄ＋△ｄ）×ｆ＝（（ｂ−ｃ）／ｎ＋△ｄ）×ｆ＝（（ｂ−ｃ）×△ｄ／ｐ＋△ｄ）×ｆ＝（（２０−０）×０．０００５／０．０５）＋０．０００５）×３００＝６０．１５（ｍｍ／ｓｅｃ）
となる。ここで、ｂは照射領域の横方向の長さであって、図２に示すマスクの長さＢ（＝２０ｍｍ）に対応する。また、ｃは０とした。
【０１００】
基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するためには、ひとつの帯状領域１４ａを結晶化させた後、照射領域を隣接する帯状領域１４ｂに移動させ、同様の結晶化工程を繰り返す。隣接する帯状領域への移動は、例えば、基板を移動させることによって行われるが、基板移動と基板静定とに必要とされる時間は、従来の半導体薄膜の結晶化方法と同様に、０．３秒程度必要である。
【０１０１】
上述したように、基板寸法は３２０ｍｍ×４００ｍｍであるから、
３２０／２０＝１６個
の帯状領域を順に結晶化させることになる。従って、
（基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために要する時間）＝｛（１つの帯状領域を結晶化させる時間）＋（隣接する帯状領域への移動時間）｝×（帯状領域の数）
で表される。
【０１０２】
長さ４００ｍｍの帯状領域を結晶化するためには、
４００＋ｂ−（ｄ＋△ｄ）＝４００＋２０（１−０．０００５／０．０５）−０．０００５≒４１９．８
の距離を移動させながらレーザ照射を行う必要があるため、基板全面を結晶化するために要する時間は、
（４１９．８／６０．１５＋０．３）×１６＝１１６秒
となる。従って、本実施形態によれば、特許文献２に記載されている半導体薄膜の結晶化方法に比べて、結晶化時間を約４３％も短縮化することが可能になる。
【０１０３】
さらに、ラテラル成長による針状結晶の長さｐを２０μｍとすると、この時間短縮効果はより一層顕著になる。各種条件を上述した通りに設定し、同様の計算を行うと、特許文献２に記載されている半導体薄膜の結晶化方法による場合には、
（０．１３３＋０．３）×３２０＝１３９秒
となる。
【０１０４】
一方、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法による場合には、
（４１９．５／１５０．１５＋０．３）×１６＝４９．５秒
となり、結晶化時間を約６４％も短縮化することが可能になる。
【０１０５】
なお、本実施形態においては、マスク３の光透過部の形状を矩形状スリットとしたが、光透過部の形状はこれに限定されるものではなく、メッシュ形状、鋸歯形状、波状など、種々の形状を用いることができる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、等間隔ｄで並ぶｎ個の一次光透過部群が設けられると共に、各一次光透過部から等間隔ｐで並ぶｒ−１個の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。従って、本発明によれば、高品質で大きな結晶粒の多結晶シリコン薄膜を、短時間で作製することができる。
【０１０７】
また、本発明にあっては、等間隔ｐで並ぶｋ個の光透過部が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。また、全部の光透過部が等間隔に設けられているため、一次光透過部と二次光透過部とが設けられたマスクに比べて、レーザ光照射工程の次数ｎによって決定される結晶の長さを、マスクを変更することなく容易に変更することができる。従って、本発明によれば、高品質で大きな結晶粒の多結晶シリコン薄膜を、短時間で作製することができる。
【０１０８】
さらに、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度ｖで移動させながら、一定時間（１／ｆ）毎にレーザ照射を行うことによって、レーザ光の照射毎にマスクまたは半導体薄膜（半導体薄膜が成膜された基板）を静定する必要が無いため、高速にレーザ照射することができる。また、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させつつ、一定時間毎にレーザ照射を行うことができるため、容易に照射位置を制御してレーザ光を照射することができる。
【０１０９】
本発明の半導体薄膜の結晶化方法によって結晶化された半導体薄膜を、液晶表示装置、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）表示装置等に応用することによって、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、同一基板上の画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路等を作製することができるため、ドライバＩＣ、駆動回路基板等を別に作製して表示装置に実装する必要がなくなるため、表示装置を低価格で作製することができる。さらに、キャリアが移動度が高い結晶性半導体薄膜を用いることによってトランジスタの寸法を微細化することができるため、画素部分に形成されスイッチング素子を小さくして表示装置の高開口率化を図ることができ、高輝度・高精細な表示装置を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、実施形態のレーザ照射装置においてマスクに設けられたスリット状光透過部の形状と配置とを示す部分拡大平面図であり、（ｂ）は、マスクの全体のサイズを示す平面図である。
【図３】実施形態の半導体薄膜の結晶化方法におけるレーザ光照射領域の移動軌跡を示す平面図である。
【図４】（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は、それぞれ、実施形態の半導体薄膜の結晶化方法におけるマスクと基板との位置関係を示す平面図であり、それぞれ、第１次結晶化工程、第２次結晶化工程および第３次結晶化工程を示す。（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は それぞれ、実施形態の半導体薄膜の結晶化方法における半導体薄膜の結晶成長状態を示す模式図であり、それぞれ、第１次結晶化工程、第２次結晶化工程および第３次結晶化工程を示す。
【図５】実施形態のレーザ照射装置においてマスクに設けられる他のスリット状光透過部の形状と配置とを示す平面図である。
【図６】実施形態の半導体薄膜の結晶化方法において、額縁領域を結晶化する場合の照射領域の移動について説明するための平面図である。
【図７】従来の半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【図８】スーパーラテラル成長により一回のレーザパルス照射で形成される針状結晶組織を説明する模式図である。
【図９】複数回のレーザパルス照射によるスーパーラテラル成長の様子を説明するための模式図である。
【図１０】特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１ レーザ放射手段
２ レーザ光学手段
２ａ 可変減衰手段
１２ａ、２２ａ フィルター
２ｂ レーザ整形手段
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ レンズ
２ｃ 照度均一化手段
１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ、４２ｃ レンズアレイ
５２ｃ レンズ
２ｄ、１２ｄ、２２ｄ 放射方向変更手段
２ｅ レンズ
３ マスク
４ マスクＸＹステージ
４ａ Ｘステージ
４ｂ Ｙステージ
５ マスク像結像手段
５ａ〜５ｄ レンズ
６ 基板
７ 基板ＸＹステージ
７ａ Ｘステージ
７ｂ Ｙステージ
８ 基板ＸＹステージ位置制御部
９ マスクＸＹステージ位置制御部
１０ レーザ照射制御部
１１ メインコントローラ
１２ マスクの有効領域
１３ 照射領域
１４ 被結晶化領域
１４ａ、１４ｂ 帯状領域
１５ レーザ照射領域
２１ａ、１２１ａ 第１回目のレーザ照射領域
２１ｂ、１２１ｂ 第２回目のレーザ照射領域
２１ｃ、１２１ｃ 第３回目のレーザ照射領域
２１ｄ、１２１ｄ 第（ｎ−１）回目のレーザ照射領域
２１ｅ、１２１ｅ 第ｎ回目のレーザ照射領域
３１ 画素領域
３２、３２ａ、３２ｂ 額縁領域
４１、４２、１４４ａ、１４４ｂ 照射領域の移動方向
４０ 被結晶化領域の左上端部
１００ レーザ照射装置
１２０ａ 溶融領域と未溶融領域との境界
１２２ スーパーラテラル成長方向
１２３ 結晶領域
１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｄ 針状結晶
１２５、１５５ ガラス基板
１２６ レーザ光
１４４ レーザ照射領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を照射して半導体薄膜を結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法および半導体薄膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非晶質シリコン薄膜に対してレーザ光を照射することによって６００℃以下の低温で非晶質シリコン薄膜を結晶化させる技術を用いて、ガラス基板に多結晶シリコンからなる薄膜トランジスタ（Ｐ−ＳｉＴＦＴ）を形成した表示装置が、低価格で供給されるようになっている。
【０００３】
このＰ−Ｓｉ ＴＦＴは、キャリア（電子）の移動度が高いため、非晶質シリコンからなる薄膜トランジスタ（ａ−ＳｉＴＦＴ）と比べて、多くの利点を有している。例えば、表示装置の画素部分にスイッチング素子としてＰ−Ｓｉ ＴＦＴを設けた場合、画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路等をＰ−ＳｉＴＦＴによって構成することができるため、駆動回路、周辺回路等を画素部と同じ一枚の基板上に作製することができる。このため、ドライバＩＣ、駆動回路用基板等を別途作製して表示装置に実装する必要がなくなり、表示装置を低価格で供給することが可能となる。さらに、Ｐ−ＳｉＴＦＴによれば、トランジスタの寸法を微細化することができるので、画素部分に設けられるスイッチング素子が小さくなり、表示装置を高開口率化することができる。このため、高輝度、かつ、高精細な表示装置を供給することが可能となる。
【０００４】
以下に、レーザ光を用いた一般的な従来の半導体薄膜の結晶化方法について説明する。
【０００５】
図７は、従来の半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【０００６】
この従来の半導体薄膜の結晶化方法では、予め非晶質シリコン薄膜を成膜したガラス基板１２５を４００℃程度に加熱し、長さ２００ｍｍ〜４００ｍｍ、幅０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の線状のレーザ光１２６を、ガラス基板１２５に対して一定速度で矢印方向に走査しながら、ガラス基板１２５上に照射する。この方法によって、粒径０．２μｍ〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このとき、レーザ光１２６が照射された部分の非晶質シリコン薄膜は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域がガラス基板１２５の表面側に残るため、レーザ照射部分全面にわたって、いたるところに結晶核が発生して、その結晶核からシリコン薄膜の最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。
【０００７】
さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくするか、または結晶方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得るために、多くの研究開発がなされている。
【０００８】
スリット状のレーザパルスをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
以下に、特許文献１に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法について説明する。
【００１０】
図８は、一回のレーザパルス照射で形成される針状結晶組織を説明するための模式図である。
【００１１】
例えば、幅２μｍ〜３μｍのスリット状のレーザパルスを照射することによって、レーザ照射領域１２１が溶融し、未溶融領域と溶融領域との境界１２０ａから溶融領域に向かって横方向（ガラス基板に水平な方向）１２２に結晶が成長する。そして、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶同士が衝突し、成長が終了する。これによって、結晶方位が揃った結晶領域１２３が形成される。このように、ガラス基板に水平な方向１２２への結晶成長をスーパラテラル成長と称し、ガラス基板に水平な方向１２２をスーパーラテラル成長方向と称する。
【００１２】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、それぞれ、複数回のレーザパルス照射によるスーパーラテラル成長の様子を説明するための模式図である。
【００１３】
まず、図９（ａ）に示すように、１回目のレーザパルス照射（１２１ａで示す領域）で形成された針状結晶１２３ａの一部に重複するように２回目のレーザパルス照射（１２１ｂで示す領域）を行う。これによって、図９（ｂ）に示すように、１回目のレーザパルス照射で形成された針状結晶１２３ａを引き継いで、２回目のレーザパルス照射によってさらに長い針状結晶１２３ｂが形成される。次に、図９（ｂ）に示すように、２回目のレーザパルス照射（１２１ｂで示す領域）で形成された針状結晶１２３ｂの一部に重複するように３回目のレーザパルス照射（１２１ｃで示す領域）を行う。４回目のパルス照射も同様に、３回目のレーザパルス照射で形成された針状結晶の一部に重複するように行うことによって、図９（ｃ）に示すように、３回目のレーザパルス照射で形成された針状結晶を引き継いで、４回目のレーザパルス照射によってさらに長い針状結晶１２３ｄが形成される。同様に、図９（ｃ）に示すように、ｎ−１回目のレーザパルス照射（１２１ｄで示す領域）で形成された針状結晶１２３ｄの一部に重複するようにｎ回目のレーザパルス照射（１２１ｅで示す領域）を行う。以降、同様にレーザパルスの照射位置を移動させながら、シリコン薄膜へのレーザ光照射を行う。
【００１４】
図８に示すように、スーパーラテラル成長は、レーザパルスを１回照射することによって完了するが、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、１回前のレーザパルス照射で形成された針状結晶の一部に重複するようにレーザパルス照射位置を移動させながら順次レーザパルスを照射することによって、既に成長した結晶を引き継いで、さらに長い針状結晶が成長し、結晶成長方向に結晶方位が揃った長結晶が得られる。
【００１５】
【特許文献１】
特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０６８５９号公報
【００１６】
【非特許文献１】
応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキストｐ．１９〜ｐ．２５
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されている半導体薄膜の結晶化方法（スーパーラテラル成長）において、１回のパルス照射で成長する結晶の長さは、成長条件によって異なり、例えば、基板温度３００℃において、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを照射した場合には、最長１μｍ〜１．２μｍ程度の長さとなることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１８】
従って、長結晶を得るためには、１回のレーザ照射で成長する結晶の長さの１／２〜１／３程度の間隔、すなわち、０．３μｍ〜０．６μｍ程度の極めて微小な間隔でパルス照射を繰り返し行うことになる。このため、基板面積全体にわたって成膜されたシリコン薄膜を結晶化するためには、極めて長い時間が必要であった。
【００１９】
結晶化に要する時間を短縮するための方法として、スリット状の光透過部を設けたマスクを用いて、基板面にマスク像を結像させる方法が記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【００２０】
図１０は、特許文献２に記載されている半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【００２１】
この半導体薄膜の結晶化方法では、予め非晶質シリコン薄膜を成膜したガラス基板１５５に対して、スリット状の光透過部を設けたマスクを介してレーザパルスを照射し、１回前のレーザパルス照射で形成された結晶の一部に重複するようにレーザパルス照射位置を移動させながら、順次レーザパルスを照射することによって照射領域１４４を結晶化させる。このときのレーザパルス照射位置は、隣接するスリットによる照射位置と重ならないように、各スリットの間隔内で移動される。そして、１つの照射領域１４４（幅ｂ）が結晶化されると、次の領域（矢印１４４ａ方向）に照射位置を移動させて結晶化を行い、１段目の各領域（幅ａ）が結晶化されると、次の段（矢印１４４ｂ方向）に照射位置を移動させて結晶化を行う。
【００２２】
この特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法では、１回のレーザ照射によって成長される結晶の長さは、スリット状光透過部の間隔と結像光学系の倍率とによって決定される、スリット状光透過部の像の間隔となる。このため、［ｔａｓａｋｉ１］ 多結晶シリコンは複数の結晶化領域に分割される。この結晶化領域とは、結晶長のほぼ等しい結晶が結晶長の方向と垂直な方向に並んでいる領域であり、スリット状光透過部の像の間隔によって寸法が決定される。従って、形成される多結晶シリコンは、結晶化領域間の移動度はあまり高くないが、一つの結晶化領域内の移動度は高くなる。その結果、ひとつの結晶化領域の寸法を、少なくともひとつのトランジスタを形成可能な寸法とし、ひとつの結晶化領域内にトランジスタを形成することによって、高性能なＴＦＴを作製することができる。
【００２３】
しかしながら、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法では、図１０に示すレーザ照射領域１４４を結晶化し、照射領域を基板上の次の領域（矢印１４４ａ方向または矢印１４４ｂ方向）に移動させて、順次結晶化を繰り返すことになる。このとき、基板またはマスクを次の照射領域に移動する間は、結晶化が行われないため、無駄な時間となる。
【００２４】
以上のように、スーパーラテラル成長では、従来の半導体薄膜の結晶化方法に比べて、良質の結晶を得ることができるが、結晶化に要する時間が非常に長くなり、効率が悪いという問題がある。
【００２５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、良質の結晶性半導体薄膜を効率良く作製することができる半導体薄膜の結晶化方法および半導体薄膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体薄膜の結晶化方法は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法であって、等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群が設けられると共に、該一次光透過部の各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させ、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
本発明の半導体薄膜の結晶化方法は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法であって、等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させ、そのことにより上記目的が達成される。
【００２８】
好ましくは、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させながら、一定時間毎にレーザ照射を行う。
【００２９】
好ましくは、前記Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さの１／３倍以上１／２倍以下の距離である。
【００３０】
本発明のレーザ照射装置は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介してレーザ光を照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させると共に、レーザ光の照射位置を変えて順次レーザ光を照射して結晶成長させるレーザ照射装置であって、レーザ放射手段と、予め半導体薄膜が成膜された基板を移動保持する基板移動保持手段と、等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群が設けられると共に、該一次光透過部の各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクと、該基板と該レーザ放射手段との間に配置され、該マスクを移動保持するマスク移動保持手段と、該基板の位置情報を基にして該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方の位置を制御する位置制御手段と、該基板の位置情報を基にして該レーザ放射手段によるレーザ照射をｏｎ／ｏｆｆ制御するレーザ照射制御手段とを有し、該位置制御手段は、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置が移動するように、該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方を制御し、該レーザ照射制御手段は該レーザ放射手段を制御し、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
本発明のレーザ照射装置は、予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介してレーザ光を照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させると共に、レーザ光の照射位置を変えて順次レーザ光を照射して結晶成長させるレーザ照射装置であって、レーザ放射手段と、予め半導体薄膜が成膜された基板を移動保持する基板移動保持手段と、等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部が設けられたマスクと、該基板と該レーザ放射手段との間に配置され、該マスクを移動保持するマスク移動保持手段と、該基板の位置情報を基にして該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方の位置を制御する位置制御手段と、該基板の位置情報を基にして該レーザ放射手段によるレーザ照射をｏｎ／ｏｆｆ制御するレーザ照射制御手段とを有し、該位置制御手段および該レーザ照射制御手段は、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置が移動するように、該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方を制御し、該レーザ照射制御手段は該レーザ放射手段を制御し、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
好ましくは、前記位置制御手段は、前記マスク移動保持手段と前記基板移動保持手段とを相対的に一定速度で移動させ、前記レーザ照射制御手段は、一定時間毎にレーザ照射が行われるように該レーザ放射手段を制御する。
【００３３】
好ましくは、前記Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さの１／３倍以上１／２倍以下の距離である。
【００３４】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３５】
本発明にあっては、等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群（例えばスリット状光透過部）が設けられると共に、各一次光透過部から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。例えば、ｉ＋１回目のレーザ光照射時には、ｊ番目の一次光透過部を透過したレーザ光によって、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋１番目の一次光透過部（ｊ番目の一次光透過部に対して結晶成長方向側に隣接する一次光透過部）を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長する。同様に、ｉ＋１回目のレーザ光照射時には、ｊ番目の一次光透過部からｋ番目の二次光透過部を透過したレーザ光によって、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋１番目の一次光透過部からｋ番目の二次光透過部を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長する。また、ｉ＋１回目のレーザ光照射時に、ｊ＋１番目の一次光透過部を透過したレーザ光が照射される領域では、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋２番目の一次光透過部を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長するため、全体として流れ作業のように結晶化が行われる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。
【００３６】
また、本発明にあっては、等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部（例えばスリット状光透過部）が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。これによって、ｉ＋１回目のレーザ光照射時には、ｊ番目の光透過部を透過したレーザ光によって、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋１番目の光透過部（ｊ番目の光透過部に対して結晶成長方向側に隣接する光透過部）を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長する。また、ｉ＋１回目のレーザ光照射時に、ｊ＋１番目の光透過部を透過したレーザ光が照射される領域では、ｉ回目のレーザ光照射時にｊ＋２番目の光透過部を透過したレーザ光によって結晶化した結晶を引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長するため、全体として流れ作業のように結晶化が行われる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。また、全部の光透過部が等間隔に設けられているため、一次光透過部と二次光透過部とが設けられたマスクに比べて、レーザ光照射工程の次数ｎによって決定される結晶の長さを、マスクを変更することなく容易に変更することができる。
【００３７】
さらに、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度ｖで移動させながら、一定時間（１／ｆ）毎にレーザ照射を行うことによって、レーザ光の照射毎にマスクまたは半導体薄膜（半導体薄膜が成膜された基板）を静定する必要が無いため、高速にレーザ照射することができる。また、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させつつ、一定時間毎にレーザ照射を行うことができるため、容易に照射位置を制御してレーザ光を照射することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態であるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。この図において、点線はレーザ光の照射経路を示し、矢印は制御信号、位置情報等の流れを示している。
【００４０】
このレーザ照射装置１００は、半導体薄膜の結晶化工程において用いられ、レーザ放射手段１、レーザ光学手段２、マスク３、マスクＸＹステージ４、マスク像結像手段５、基板６、基板ＸＹステージ７、基板ＸＹステージ位置制御部８、マスクＸＹステージ位置制御部９、レーザ照射制御部１０およびメインコントローラ１１を備えている。
【００４１】
レーザ放射手段１からは、シリコンを溶融することが可能なパルス状のレーザが出射される。このようなレーザ放射手段１としては、例えば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザ発信器など、紫外域の波長を有する光を出射する光源を用いることが望ましい。本実施形態では、波長３０８ｎｍの波長を有する光を出射するエキシマレーザ発信器を用いた。
【００４２】
レーザ光学手段２は、可変減衰手段２ａ、レーザ整形手段２ｂ、照度均一化手段２ｃ、３つの放射方向変更手段２ｄ、１２ｄ、２２ｄおよびレンズ２ｅによって構成されており、レーザ放射手段１から入射されたレーザ光が整形・均一化されるようになっている。
【００４３】
レーザ放射手段１から出射されたレーザ光は、ミラー、レンズなどによって構成されている放射方向変更手段２ｄによって放射方向が変更され、可変減衰手段２ａに入射される。
【００４４】
可変減衰手段２ａは、複数のフィルター１２ａおよび２２ａによって構成されている。可変減衰手段２ａに入射されたレーザ光は、基板面に照射されるレーザ光の放射照度が所定の照度となるように減衰され、レーザ整形手段２ｂに入射される。
【００４５】
レーザ整形手段２ｂは、複数のレンズ１２ｂ、２２ｂおよび３２ｂによって構成されている。レーザ整形手段２ｂに入射されたレーザ光は、予め定められた直径の光束に整形され、放射方向変更手段１２ｄによって放射方向が変更されて、照度均一化手段２ｃに入射される。
【００４６】
照度均一化手段２ｃは、不均一であるビームの放射照度を均一化する手段であり、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを用いて、ガウシアン型放射照度分布のビームを一旦分散してマスク３の表面に再度重ね合わせて放射することなどによって実現される。本実施形態では、２組のシリンドリカルレンズアレイ１２ｃおよび２２ｃ、３２ｃおよび４２ｃと、コンデンサレンズ５２ｃとによって構成されている。一つの方向について均一化するためには２つ（一組）のシリンドリカルレンズアレイが必要とされ、Ｘ方向、Ｙ方向について、それぞれ均一化するために２つのレンズアレイが必要になるため、合計で４つのシリンドリカルレンズアレイ１２ｃ、２２ｃ、３２ｃおよび４２ｃを用いている。シリンダの配置方向は、１２ｃおよび２２ｃと、３２ｃおよび４２ｃとで互いに直交する位置関係とされている。照度均一化手段２ｃに入射されたレーザ光は、２組のレンズアレイ１２ｃおよび２２ｃと３２ｃおよび４２ｃとによって分割されて、それぞれの光がレンズ５２ｃによって集光され、レンズ２ｅを介してマスク３に照射されるようになっている。これによって、レーザ光の不均一な放射照度を均一化して、放射照度が均一化されたレーザ光をマスク３に入射させることができる。
【００４７】
マスク３は、ｋ個のスリット状光透過部が設けられている。マスク３のスリット状光透過部は、半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときに、スリット幅ｑおよびピッチｐの等間隔のｋ個のスリットが得られるように構成されている。レーザ光学手段２から照射されたレーザ光は、マスク３に設けられたスリット状光透過部を透過し、放射方向変更手段２２ｄによって放射方向が変更されて、マスク像結像手段５を介して基板６の表面に照射される。
【００４８】
マスク像結像手段５は、複数のレンズ５ａ〜５ｄによって構成されており、マスク３のスリット状光透過部を透過して形成されたスリット状レーザ光を所定の倍率で拡大し、基板６に成膜された半導体薄膜の表面にマスク像として結像させるようになっている。これによって、基板６上に成膜された半導体薄膜にスリット状レーザ光が照射され、半導体薄膜が結晶化される。
【００４９】
上記マスク３は、ＸＹ方向に移動可能なマスクＸＹステージ４に搭載されている。このマスクＸＹステージ４は、例えば、駆動源がリニアモータ（図示せず）によって構成され、案内部がボールベアリングもしくはエアーベアリング（図示せず）によって構成されたＸステージ４ａおよびＹステージ４ｂが重ねられており、Ｘステージ４ａまたはＹステージ４ｂにマスク３が搭載されている。これによって、マスク３はＸＹ平面内で任意の方向に移動可能となっている。
【００５０】
マスクＸＹステージ４は、マスクＸＹステージ位置制御部９によって移動速度、位置等が制御されている。例えば、マスクＸＹステージ４に搭載されているマスクＸリニアスケール（図示せず）およびマスクＹリニアスケール（図示せず）の出力パルスを位置検出信号としてスケールカウンタにてカウントし、そのカウント値によってマスクＸＹステージ４の現在位置を検出すると共に、出力パルスの周期を計測することによってマスクＸＹステージ４の移動速度を検出することができる。マスクＸＹステージ位置制御部９は、検出した現在位置および移動速度を基に、マスクＸリニアモータおよびマスクＹリニアモータを駆動制御して、マスクＸＹステージ４の位置および移動速度を制御することができる。
【００５１】
また、上記基板６は、ＸＹ方向に移動可能なマスクＸＹステージ７に搭載されている。この基板ＸＹステージ７は、例えば、駆動源がリニアモータ（図示せず）によって構成され、案内部がボールベアリングもしくはエアーベアリング（図示せず）によって構成されたＸステージ７ａおよびＹステージ７ｂが重ねられており、Ｘステージ７ａまたはＹステージ７ｂに基板６が搭載されている。これによって、基板６をＸＹ平面内で任意の方向に移動可能せしめている。
【００５２】
基板ＸＹステージ７は、基板ＸＹステージ位置制御部８によって移動速度、位置等が制御されている。例えば、基板ＸＹステージ７に搭載されている基板Ｘリニアスケール（図示せず）および基板Ｙリニアスケール（図示せず）の出力パルスを位置検出信号としてスケールカウンタにてカウントし、そのカウント値によって基板ＸＹステージ７の現在位置を検出すると共に、出力パルスの周期を計測することによって基板ＸＹステージ７の移動速度を検出することができる。基板ＸＹステージ位置制御部８は、検出した現在位置および移動速度を基に、基板Ｘリニアモータおよび基板Ｙリニアモータを駆動制御して、基板ＸＹステージ７の位置および移動速度を制御することができる。
【００５３】
また、レーザ放射手段１は、レーザ照射制御部１０によってレーザ照射のＯＮ／ＯＦＦが制御されるようになっている。
【００５４】
さらに、基板ＸＹステージ位置制御部８、マスクＸＹステージ位置制御部９およびレーザ照射制御部１０は、メインコントローラ１１から各種の制御信号が入力されるようになっている。また、各制御部８〜１０からメインコントローラ１１に対して、位置情報などの各種情報が出力されるようになっている。メインコントローラ１１は、基板６に対して所望位置でレーザ照射が行われるように、各ステージ、制御部等に対する動作指令が制御信号として順次出力されるように設定されており、各制御部８〜１０に対して適切な制御信号が出力されて、レーザ照射が行われる。
【００５５】
なお、上記説明では、ステージ位置情報を得るためにリニアスケールを用いているが、例えばレーザ測長器のようなものを用いることもできる。また、レーザ照射装置１００は、基板６上の任意の位置に、適切、かつ、均一な照度のスリット状レーザ光を照射することができるものであれば、以上に説明したような装置構成に限定されるものではない。また、前記各放射方向変更手段２ｄ、以下の放射変更手段１２ｄおよび２２ｄは、配置箇所・数量には制限はなく、レーザ照射装置１００の光学設計・機構設計に応じて適切に配置することができる。
【００５６】
次に、本実施形態のレーザ照射装置１００におけるマスク３の構成について、さらに詳細に説明する。
【００５７】
図２（ａ）は、本実施形態のマスク３におけるスリット状光透過部の形状と配置とを示す部分拡大平面図であり、図２（ｂ）は、マスク３の全体のサイズを示す平面図である。なお、本実施形態において、スリット状光透過部を透過したスリット状レーザ光は、マスク像結像手段５によって、一定倍率で半導体薄膜上に結像され、スリット状光透過部の形状と、スリット状レーザ光の形状とは相似である。以下の説明では、マスク３のスリット状光透過部に係わる寸法は、上記一定倍率を考慮して、半導体薄膜上に結像された状態の寸法を示すものとする。
【００５８】
図２（ｂ）において、寸法（縦×横）Ａ×Ｂの矩形状領域である有効領域１２は、１回のパルス状レーザ光によって照射されるマスク３上の領域を示している。なお、上記有効領域１２に対応する半導体薄膜上の領域を照射領域１３と称する。
【００５９】
図２（ａ）に示すように、マスク３におけるスリット状光透過部ｓｌの形状は矩形状であり、スリット幅はｑ（図２においてｐおよびｑが指し示す位置が異なります。また、ｓｌ２が指している場所が違います。）である。また、左端のスリット状光透過部ｓｌ１は、マスク３のエッジから距離ｃの位置に配置されている。各スリット状光透過部ｓｌは、それぞれ、ピッチｐの等間隔で配置され、全部でｋ個のスリット状透過部ｓｌが配置されている。また、マスク３は、寸法ｄのｎ個の領域それぞれにｒ個のスリット状透過部ｓｌがそれぞれ配置されている。すなわち、ｋ、ｎ、ｒには、ｋ＝ｎ×ｒの開係がある。
【００６０】
次に、このように構成された本実施形態のレーザ照射装置１００を用いて、基板に設けられた半導体薄膜の表面全体を結晶化する方法について説明する。
【００６１】
図３は、レーザ光照射領域の移動軌跡を示す平面図である。以下では、基板ＸＹステージ７によって、図中のＸ軸方向にレーザ照射領域を移動させてレーザ光を照射する場合について説明する。ここでは、基板ＸＹステージ７を（＋）Ｘ方向に移動させることによって照射領域１３が図３の左側に移動され、基板ＸＹステージ７を（−）Ｘ方向に移動させることによって照射領域１３が図３の右側に移動されるものとする。また、基板ＸＹステージ７には半導体薄膜が成膜された基板６が搭載され、マスクＸＹステージ５にはマスク３が搭載されており、基板６およびマスク３の各Ｘ軸、Ｙ軸、θ角などを微調整するアライメント作業は既に終了しているものとする。
【００６２】
まず、予めプログラムに入力された開始位置座標がメインコントローラ１１から基板ＸＹステージ位置制御部８に入力され、基板Ｘリニアモータを所望の位置に移動させることによって、照射開始位置である、被結晶化領域１４の左上端部４０に、照射領域１３が移動される。
【００６３】
次に、照射領域１３が被結晶化領域１４の左端にある場合には、照射領域１３が被結晶化領域１４の右端に達するまで、基板ＸＹステージ７を（−）Ｘ方向（左方向）に移動させる。基板ＸＹステージ７の移動が開始されると、基板Ｘリニアスケールから出力パルスが出力され、基板ＸＹステージ７の位置情報が基板ＸＹステージ位置制御部８およびメインコントローラ１１に入力される。そして、基板ＸＹステージ７の位置が予めプログラムに入力されているか、または計算された所望の位置と一致した時点で、メインコントローラ１１からレーザ照射制御部１０にトリガー信号が入力される。これによって、レーザ照射制御部１０からレーザ放射手段１にレーザ発振制御パルス信号が出力され、レーザ放射手段１からレーザ光が発振されて、帯状領域１４ａに対して逆方向帯状領域結晶化工程が行われる。以下、結晶化工程における方向は、基板ＸＹステージの移動方向が（−）Ｘ方向であれば逆方向と称し、（＋）Ｘ方向であれば順方向と称する。
【００６４】
照射領域１３が被結晶化領域１４の右端に達し、被結晶化領域１４から外れると同時にレーザ発振は中断され、基板ＸＹステージ７が減速されて右端で停止する。
【００６５】
その後、基板ＸＹステージ７を（＋）Ｙ方向（下方向）にａだけ移動させて、先の帯状領域結晶化工程とは逆方向である（＋）Ｘ方向に基板ＸＹステージ７を移動させ、所望の位置でレーザ発振させることによって、帯状領域１４ｂに対して順方向帯状領域結晶化工程が行われる。以降同様に、逆方向帯状領域結晶化工程および順方向帯状領域結晶化工程を行い、被結晶化領域１４全体にレーザ光を照射して結晶化することができる。
【００６６】
なお、照射領域１３は、基板６とマスク３とを相対的に移動させることによって移動させることができ、基板ＸＹステージ７およびマスクＸＹステージ４のいずれか一方、または両方を移動させることができる。
【００６７】
次に、半導体薄膜の結晶化工程について、さらに詳細に説明する。
【００６８】
図４（ａ）〜図４（ｆ）は、それぞれ、上記逆方向帯状領域結晶化工程において帯状領域が結晶化されていく様子を説明するための図である。図４（ａ）、図４（ｃ）および図４（ｅ）は、それぞれ、マスク３と基板６との位置関係を示す平面図であり、図４（ｂ）、図４（ｄ）および図４（ｆ）は、それぞれ、半導体薄膜の結晶成長状態を示す模式図である。なお、ここでは、マスク３を右へ移動させるのではなく、基板６を左へ移動させることによって照射領域を右へ移動させている。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示す第１次結晶化工程において、マスク３の有効領域Ｅにレーザ光を照射して、半導体薄膜の領域Ａを結晶化させる。このとき、図２（ａ）に示すスリット状光透過部ｓｌ３を透過して半導体薄膜上の領域１５に結像されたレーザ光によって結晶化された結晶の様子を、図４（ｂ）に示す。２１ａは、第１次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ３を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域であり、２１ｂは、次の第２次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ２を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域である。
【００７０】
次に、図４（ｃ）に示す第２次結晶化工程において、基板６を左側にｄ＋Δｄだけ移動させて、マスク３の有効領域にレーザ光を照射する。このときの移動距離Δｄは、半導体薄膜をスーパーラテラル成長させるためのもので、一回のレーザ照射によって形成または成長される結晶の長さの１／３倍から１／２倍程度の長さに設定することが望ましい。第２次結晶化工程と第１次結晶化工程とで重複する領域Ｇにおいて、スリット状光透過部を透過したレーザ光によって形成された個々の結晶は、第１次結晶化工程によって成長された結晶を引き継いで結晶成長する。このとき、第１次結晶化工程において図２（ａ）に示すスリット状光透過部Ｓｌ３を透過したレーザ光によって結晶化された結晶を引き継いで、第２次結晶化工程においてスリット状光透過部Ｓｌ２を透過したレーザ光によって、さらに長い針状の結晶が成長する様子を図４（ｄ）に示す。２１ｂは、第２次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ２を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域であり、２１ｃは、次の第３次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ１を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域である。
【００７１】
次に、図４（ｅ）に示す第３次結晶化工程において、基板６を左側にｄ＋Δｄだけ移動させて、マスク３の有効領域にレーザ光を照射する。第３次結晶化工程と第２次結晶化工程とで重複する領域Ｈにおいて、スリット状光透過部を透過したレーザ光によって形成された個々の結晶は、第１次結晶化工程および第２次結晶化工程によって成長された結晶を引き継いで結晶成長する。このとき、第ｗ次結晶化工程において図２（ａ）に示すスリット状光透過部Ｓｌ２を透過したレーザ光によって結晶化された結晶を引き継いで、第３次結晶化工程においてスリット状光透過部Ｓｌ１を透過したレーザ光によって、さらに長い針状の結晶が成長する様子を図４（ｆ）に示す。２１ｃは、第３次結晶化工程においてスリット状光透過部ｓｌ１を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域であり、２１ｄは、第４次結晶化工程においてｓｌ１と隣接するスリット状光透過部を透過して半導体薄膜にレーザ光が照射される領域である。
【００７２】
以降、第３次結晶化工程と同様に、第４次結晶化工程、・・・、第ｎ次結晶化工程において基板を左に（ｄ＋Δｄ）だけ移動させてマスク３の有効領域にレーザ光を照射することによって、結晶化領域を拡大することができる。
【００７３】
本実施形態では、照射領域を距離ｄ＋Δｄずつ左から右に移動させながら第１次結晶化工程から第ｎ次結晶化工程までを行うため、照射領域を移動させた帯状領域では、第１次結晶化工程から第ｎ次結晶化工程までが流れ作業のように順次行われ、長い針状結晶からなる結晶化領域が形成される。
【００７４】
次に、順方向帯状領域結晶化工程について説明する。順方向帯状領域結晶化工程は、照射領域の移動方向が右から左であること、第ｎ次結晶化工程、第ｎ−１次結晶化工程、・・・、第２次結晶化工程、第１次結晶化工程の順に結晶化工程が行われること、および結晶の成長方向が右から左であることを除いて、上記逆方向帯状領域結晶化工程と同様であり、逆方向帯状領域結晶化工程と同様の長い針状結晶からなる結晶化領域を形成することができる。
【００７５】
次に、マスク３におけるスリット状光透過部の配置と、照射位置の移動速度およびレーザ照射間隔との関係について説明する。以下では、
基板ＸＹステージの移動速度：ｖ
レーザ発振周波数：ｆ
マスクサイズ（有効領域：縦×横）：Ａ×Ｂ
マスクスリット幅：ｑ
マスクスリットピッチ：ｐ
スリット状透過部のマスクエッジまでの距離：ｃ
結晶引き継ぎ長さ：Δｄ
として説明する。
【００７６】
各結晶化工程で発生する基板移動距離ｄ＋△ｄは、
ｄ＋△ｄ＝ｖ／ｆ
によって表される。また、結晶化工程の次数であるｎは、
ｎ＝ （Ｂ−ｃ）／ｄ
を満たす整数である。さらに、第１次結晶化工程から第ｎ次結晶化工程までの結晶化工程によって成長された結晶長は、マスクスリットピッチｐと同等以上であることが望ましい。従って、
ｎ×Δｄ≧ｐ
を満足することが望ましい。以上によって、
Ｂ≧（（ｖ／ｆ）−△ｄ）×（ｐ／ Δｄ）＋ｃ
と表される。また、マスク３において距離ｄ間に設けられるスリット数ｒは、マスクスリットピッチｐと距離ｄとによって、
ｒ＝ｄ／ｐ
＝（ｖ ／ ｆ−△ｄ）／ ｐ
と表される。
【００７７】
ここで、（１）（ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐ が整数の場合には、
ｒ＝（ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐ
となり、図２に示すように、マスク３のスリット状光透過部ｓｌは、等間隔ｐのピッチで配置される。また、マスク３のスリット状透過部ｓｌの総数ｋは、
ｋ＝ｎ×ｒ
と表される。
【００７８】
一方、（２） （ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐが整数でない場合にはｒは、
ｒ≧（ｖ／ｆ−△ｄ）／ｐ
を満たす最小の整数とする。従って、マスク３は、図５に示すように、等間隔ｄで並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次スリット群と、一次スリットの各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次スリット群とが設けられたマスクパターンとなる。
【００７９】
上記（１）および（２）のいずれの場合でも、結晶化工程の手順は同様である。但し、全部のスリット状透過部が等間隔に配置される上記（１）の方が、結晶化工程の次数ｎ（所望の長さの針状結晶を成長するまでにレーザ照射を行う回数）を容易に変更することができる。
【００８０】
上記説明では、基板上に設けられた半導体薄膜の全面を結晶化させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、表示装置の駆動回路、周辺回路等を構成する半導体薄膜を作製する場合には、画素領域周辺の額縁領域を結晶化することによって、キャリア移動度の高いシリコンにより高速なトランジスタを作製することができ、画素駆動または信号処理を高速化することができる。以下に、このような額縁領域を結晶化する場合の結晶化工程について、説明する。
【００８１】
図６は、額縁領域を結晶化する場合の照射領域の移動について説明するための平面図である。
【００８２】
まず、基板６の左上端部４０の位置に、レーザ光の照射領域を配置する。そして、基板６の右端に達するまで照射領域を移動させて逆方向帯状領域結晶化工程を行い、幅αの一行分の額縁領域３２ａを結晶化する。次に、矢印４１に示すように、その下の一連の額縁領域３２ｂの行に照射領域を移動させる。そして、照射領域が基板６の左端に達するまで照射領域を移動させて順方向帯状領域結晶化工程を行い、一行分の額縁領域３２ｂを結晶化する。次に、矢印４２に示すように、その下の一連の額縁領域３２ｃの行に照射領域を移動させる。以上の工程を同様に繰り返し、図中Ｘ方向の全ての額縁領域が結晶化されると、基板６の配置または［ｔａｓａｋｉ２］ マスク３の配置を９０度回転させ、Ｙ軸方向に対して上記と同様の結晶化工程を行って、全ての額縁領域３２を結晶化させる。
【００８３】
これによって、高い移動度が要求される額縁領域３２は結晶化され、高い移動度が要求されない画素領域３１は結晶化されないため、基板全面を結晶化させる場合と比較して、製造時間を短縮することができる。通常、額縁領域３２は、全基板面積の１０％から２０％程度であるので、画素領域３１を結晶化しないことによって、大幅に結晶化時間を短縮することができる。
【００８４】
なお、図６では、画素領域３１の四方にある額縁領域３２を結晶化しているが、４つの額縁領域３２のうち、１つ以上の額縁領域について、その全部または一部を結晶化してもよい。その場合には、結晶化された額縁領域に、キャリア移動度の高いシリコンにより高速なトランジスタを作製することができる。
【００８５】
なお、上記実施形態では、照射領域の移動距離をｄ＋△ｄとして説明したが、ｄ−△ｄとしても同様に、半導体薄膜を結晶化することができる。この場合、移動距離をｄ＋△ｄとした場合と比較して、わずかではあるが、移動距離を短くすることができるため、移動速度を遅くするか、または移動時間を短くすることができる。
【００８６】
次に、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法と、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法方法とについて、それぞれの処理速度を比較して説明する。なお、以下では、本実施形態のマスク３において、上記（１）に示すようなマスクパターンを形成した場合について説明する。
【００８７】
レーザパルスを照射してから、次にレーザパルスを照射するまでの時間は、基板６もしくはマスク３を移動させて照射領域を次の照射位置まで移動させる時間、およびレーザ放射手段１において次のパルス照射が可能になるまでの時間のうち、長い方の時間である。
【００８８】
特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法では、照射領域を距離△ｄ（Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけ移動させてレーザパルスを照射する工程を繰り返して１つの照射領域を結晶化させた後に、照射領域を次の領域まで距離ｂ−ｐ（ｂは照射領域の横方向の長さ、ｐは基板面に照射されたスリット状レーザのピッチ）だけ移動させる。照射領域を距離△ｄだけ移動させてレーザパルスを照射するときには、移動距離が極めて短いため、移動はすぐに完了する。従って、レーザパルスを照射してから次にレーザパルス照射をするまでの時間は、レーザ放射手段１において次のパルス照射が可能になるまでの時間と等しくなる。また、１つの照射領域を結晶化させた後に次の領域まで距離ｂ−ｐだけ移動させるときには、移動距離が長いため、移動に時間がかかる。その間、レーザ放射手段１はパルス照射を行わずに待機状態となっている。
【００８９】
一方、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法では、レーザ放射手段１においてレーザパルスを照射してから次のパルス照射が可能になるまでの時間の間に照射領域を移動可能な最長の長さよりも短くなるように、距離ｄ＋△ｄを設定することによって、レーザ放射手段１はパルス照射可能な最も短い周期（照射周波数）でレーザパルスを放射し続けることができる。また、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法のように、１つの照射領域を結晶化させた後に照射領域を次の領域まで長い距離を移動させる必要が無いため、照射領域を次の領域まで移動させるために必要な時間分だけ、処理時間を短くすることができる。
【００９０】
ここで、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法と、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法方法とについて、それぞれの結晶化時間をさらに具体的な数値によって説明する。
【００９１】
なお、両結晶化方法に共通する条件として、
基板６の寸法：３２０ｍｍ×４００ｍｍ
レーザ放射手段１のレーザパルス照射周波数ｆ：３００Ｈｚ
スーパーラテラル成長におけるパルス照射毎の送りピッチ
＝照射領域の移動距離△ｄ：０．５μｍ
と設定する。また、
スーパーラテラル成長による針状結晶の長さ
＝基板面に照射されたスリット状レーザのピッチｐ：５０μｍ
マスク像の結像倍率：１／５
照射領域：２０ｍｍ×２０ｍｍ
マスク面での有効領域：１００ｍｍ×１００ｍｍ
と設定する。
【００９２】
まず、特許文献２に記載されている従来の半導体薄膜の結晶化方法によって基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために必要な時間を算出する。
【００９３】
図１０に示すように、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法では、等ピッチで形成したスリット状光透過部を形成したマスクを用いている。この場合、レーザ照射領域１４４毎に結晶化を完了させてから、次の照射領域（矢印１４４ａ方向または矢印１４４ｂ方向）に移動させて基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化させる。
【００９４】
ここで、 図１０に示す１つの照射領域１４４を結晶化させるために必要とされるレーザパルス照射回数ｎは、
（１つの照射領域に対するレーザパルス照射回数ｎ）＝（針状結晶の長さｐ）／（送りピッチΔｄ）＝０．０５／０．０００５＝１００（回）
となる。
【００９５】
１つの照射領域１４４の結晶化させるために必要とされる時間ｔは、
（１つの照射領域を結晶化させる時間ｔ）＝（１つの照射領域に対するレーザパルス照射回数ｎ）／（レーザパルス照射周波数ｆ）＝１００／３００＝０．３３３（秒）
となる。
【００９６】
また、隣接する照射領域への移動は、例えば、基板を移動させることによって行われるが、基板移動と基板静定とに必要とされる時間は、合計０．３秒程度である。
【００９７】
上述したように、基板寸法は３２０ｍｍ×４００ｍｍであるから、
（３２０／２０）×（４００／２０）＝３２０個
の照射領域を順に結晶化させることになる。従って、
（基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために要する時間）＝｛（１つの照射領域を結晶化させる時間）＋（隣接する照射領域への移動時間）｝×（照射領域の数）＝（０．３３３＋０．３）×３２０＝２０３秒
となる。
【００９８】
次に、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法によって基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために必要な時間を算出する。
【００９９】
図３に示す幅ａ（＝２０ｍｍ）の帯状領域１４ａを結晶化するための基板移動速度ｓは、
ｓ＝（ｄ＋△ｄ）×ｆ＝（（ｂ−ｃ）／ｎ＋△ｄ）×ｆ＝（（ｂ−ｃ）×△ｄ／ｐ＋△ｄ）×ｆ＝（（２０−０）×０．０００５／０．０５）＋０．０００５）×３００＝６０．１５（ｍｍ／ｓｅｃ）
となる。ここで、ｂは照射領域の横方向の長さであって、図２に示すマスクの長さＢ（＝２０ｍｍ）に対応する。また、ｃは０とした。
【０１００】
基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するためには、ひとつの帯状領域１４ａを結晶化させた後、照射領域を隣接する帯状領域１４ｂに移動させ、同様の結晶化工程を繰り返す。隣接する帯状領域への移動は、例えば、基板を移動させることによって行われるが、基板移動と基板静定とに必要とされる時間は、従来の半導体薄膜の結晶化方法と同様に、０．３秒程度必要である。
【０１０１】
上述したように、基板寸法は３２０ｍｍ×４００ｍｍであるから、
３２０／２０＝１６個
の帯状領域を順に結晶化させることになる。従って、
（基板全面に設けられた半導体薄膜を結晶化するために要する時間）＝｛（１つの帯状領域を結晶化させる時間）＋（隣接する帯状領域への移動時間）｝×（帯状領域の数）
で表される。
【０１０２】
長さ４００ｍｍの帯状領域を結晶化するためには、
４００＋ｂ−（ｄ＋△ｄ）＝４００＋２０（１−０．０００５／０．０５）−０．０００５≒４１９．８
の距離を移動させながらレーザ照射を行う必要があるため、基板全面を結晶化するために要する時間は、
（４１９．８／６０．１５＋０．３）×１６＝１１６秒
となる。従って、本実施形態によれば、特許文献２に記載されている半導体薄膜の結晶化方法に比べて、結晶化時間を約４３％も短縮化することが可能になる。
【０１０３】
さらに、ラテラル成長による針状結晶の長さｐを２０μｍとすると、この時間短縮効果はより一層顕著になる。各種条件を上述した通りに設定し、同様の計算を行うと、特許文献２に記載されている半導体薄膜の結晶化方法による場合には、
（０．１３３＋０．３）×３２０＝１３９秒
となる。
【０１０４】
一方、本実施形態の半導体薄膜の結晶化方法による場合には、
（４１９．５／１５０．１５＋０．３）×１６＝４９．５秒
となり、結晶化時間を約６４％も短縮化することが可能になる。
【０１０５】
なお、本実施形態においては、マスク３の光透過部の形状を矩形状スリットとしたが、光透過部の形状はこれに限定されるものではなく、メッシュ形状、鋸歯形状、波状など、種々の形状を用いることができる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、等間隔ｄで並ぶｎ個の一次光透過部群が設けられると共に、各一次光透過部から等間隔ｐで並ぶｒ−１個の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。従って、本発明によれば、高品質で大きな結晶粒の多結晶シリコン薄膜を、短時間で作製することができる。
【０１０７】
また、本発明にあっては、等間隔ｐで並ぶｋ個の光透過部が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる。これによって、特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法のように、レーザ光照射領域を結晶化した後に、次のレーザ光照射領域まで移動する必要が無いため、次のレーザ光照射領域まで移動するために必要な時間分だけ、処理時間を短縮化することができる。また、全部の光透過部が等間隔に設けられているため、一次光透過部と二次光透過部とが設けられたマスクに比べて、レーザ光照射工程の次数ｎによって決定される結晶の長さを、マスクを変更することなく容易に変更することができる。従って、本発明によれば、高品質で大きな結晶粒の多結晶シリコン薄膜を、短時間で作製することができる。
【０１０８】
さらに、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度ｖで移動させながら、一定時間（１／ｆ）毎にレーザ照射を行うことによって、レーザ光の照射毎にマスクまたは半導体薄膜（半導体薄膜が成膜された基板）を静定する必要が無いため、高速にレーザ照射することができる。また、マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させつつ、一定時間毎にレーザ照射を行うことができるため、容易に照射位置を制御してレーザ光を照射することができる。
【０１０９】
本発明の半導体薄膜の結晶化方法によって結晶化された半導体薄膜を、液晶表示装置、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）表示装置等に応用することによって、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、同一基板上の画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路等を作製することができるため、ドライバＩＣ、駆動回路基板等を別に作製して表示装置に実装する必要がなくなるため、表示装置を低価格で作製することができる。さらに、キャリアが移動度が高い結晶性半導体薄膜を用いることによってトランジスタの寸法を微細化することができるため、画素部分に形成されスイッチング素子を小さくして表示装置の高開口率化を図ることができ、高輝度・高精細な表示装置を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるレーザ照射装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、実施形態のレーザ照射装置においてマスクに設けられたスリット状光透過部の形状と配置とを示す部分拡大平面図であり、（ｂ）は、マスクの全体のサイズを示す平面図である。
【図３】実施形態の半導体薄膜の結晶化方法におけるレーザ光照射領域の移動軌跡を示す平面図である。
【図４】（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は、それぞれ、実施形態の半導体薄膜の結晶化方法におけるマスクと基板との位置関係を示す平面図であり、それぞれ、第１次結晶化工程、第２次結晶化工程および第３次結晶化工程を示す。（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は それぞれ、実施形態の半導体薄膜の結晶化方法における半導体薄膜の結晶成長状態を示す模式図であり、それぞれ、第１次結晶化工程、第２次結晶化工程および第３次結晶化工程を示す。
【図５】実施形態のレーザ照射装置においてマスクに設けられる他のスリット状光透過部の形状と配置とを示す平面図である。
【図６】実施形態の半導体薄膜の結晶化方法において、額縁領域を結晶化する場合の照射領域の移動について説明するための平面図である。
【図７】従来の半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【図８】スーパーラテラル成長により一回のレーザパルス照射で形成される針状結晶組織を説明する模式図である。
【図９】複数回のレーザパルス照射によるスーパーラテラル成長の様子を説明するための模式図である。
【図１０】特許文献２に記載の半導体薄膜の結晶化方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１ レーザ放射手段
２ レーザ光学手段
２ａ 可変減衰手段
１２ａ、２２ａ フィルター
２ｂ レーザ整形手段
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ レンズ
２ｃ 照度均一化手段
１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ、４２ｃ レンズアレイ
５２ｃ レンズ
２ｄ、１２ｄ、２２ｄ 放射方向変更手段
２ｅ レンズ
３ マスク
４ マスクＸＹステージ
４ａ Ｘステージ
４ｂ Ｙステージ
５ マスク像結像手段
５ａ〜５ｄ レンズ
６ 基板
７ 基板ＸＹステージ
７ａ Ｘステージ
７ｂ Ｙステージ
８ 基板ＸＹステージ位置制御部
９ マスクＸＹステージ位置制御部
１０ レーザ照射制御部
１１ メインコントローラ
１２ マスクの有効領域
１３ 照射領域
１４ 被結晶化領域
１４ａ、１４ｂ 帯状領域
１５ レーザ照射領域
２１ａ、１２１ａ 第１回目のレーザ照射領域
２１ｂ、１２１ｂ 第２回目のレーザ照射領域
２１ｃ、１２１ｃ 第３回目のレーザ照射領域
２１ｄ、１２１ｄ 第（ｎ−１）回目のレーザ照射領域
２１ｅ、１２１ｅ 第ｎ回目のレーザ照射領域
３１ 画素領域
３２、３２ａ、３２ｂ 額縁領域
４１、４２、１４４ａ、１４４ｂ 照射領域の移動方向
４０ 被結晶化領域の左上端部
１００ レーザ照射装置
１２０ａ 溶融領域と未溶融領域との境界
１２２ スーパーラテラル成長方向
１２３ 結晶領域
１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｄ 針状結晶
１２５、１５５ ガラス基板
１２６ レーザ光
１４４ レーザ照射領域
Claims (8)
- 予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法であって、
等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群が設けられると共に、該一次光透過部の各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる半導体薄膜の結晶化方法。 - 予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介して、レーザ光を所定方向に走査しつつ照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させる方法であって、
等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部が設けられたマスクを用いて、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置を移動させる半導体薄膜の結晶化方法。 - マスクと半導体薄膜とを相対的に一定速度で移動させながら、一定時間毎にレーザ照射を行う請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
- 前記Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さの１／３倍以上１／２倍以下の距離である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法。
- 予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介してレーザ光を照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させると共に、レーザ光の照射位置を変えて順次レーザ光を照射して結晶成長させるレーザ照射装置であって、
レーザ放射手段と、
予め半導体薄膜が成膜された基板を移動保持する基板移動保持手段と、
等間隔ｄ（ｄは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｎ個（ｎは２≦ｎである整数）の一次光透過部群が設けられると共に、該一次光透過部の各々から等間隔ｐ（ｐ＜ｄ、ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｒ−１個（ｒは２≦ｒである整数）の二次光透過部群が設けられたマスクと、
該基板と該レーザ放射手段との間に配置され、該マスクを移動保持するマスク移動保持手段と、
該基板の位置情報を基にして該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方の位置を制御する位置制御手段と、
該基板の位置情報を基にして該レーザ放射手段によるレーザ照射をｏｎ／ｏｆｆ制御するレーザ照射制御手段とを有し、
該位置制御手段は、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置が移動するように、該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方を制御し、該レーザ照射制御手段は該レーザ放射手段を制御するレーザ照射装置。 - 予め基板に成膜された半導体薄膜に対して、レーザ光の一部が透過する複数のパターンが設けられたマスクを介してレーザ光を照射して該半導体薄膜を溶融再結晶化させると共に、レーザ光の照射位置を変えて順次レーザ光を照射して結晶成長させるレーザ照射装置であって、
レーザ放射手段と、
予め半導体薄膜が成膜された基板を移動保持する基板移動保持手段と、
等間隔ｐ（ｐは半導体薄膜表面にマスク像が照射されたときのサイズ）で並ぶｋ個（ｋは２≦ｋである整数）の光透過部が設けられたマスクと、
該基板と該レーザ放射手段との間に配置され、該マスクを移動保持するマスク移動保持手段と、
該基板の位置情報を基にして該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方の位置を制御する位置制御手段と、
該基板の位置情報を基にして該レーザ放射手段によるレーザ照射をｏｎ／ｏｆｆ制御するレーザ照射制御手段とを有し、
該位置制御手段は、１回のレーザ照射毎に光透過部が並ぶ方向にｄ±△ｄ（ｄ＝ｒ×ｐ、ｒは１≦ｒ＜ｋである整数、△ｄは１回のレーザ照射によって結晶成長する長さ以下の距離）だけレーザ光の照射位置が移動するように、該基板移動保持手段および該マスク移動保持手段の少なくとも一方を制御し、該レーザ照射制御手段は該レーザ放射手段を制御するレーザ照射装置。 - 前記位置制御手段は、前記マスク移動保持手段と前記基板移動保持手段とを相対的に一定速度で移動させ、
前記レーザ照射制御手段は、一定時間毎にレーザ照射が行われるように該レーザ放射手段を制御する請求項５または請求項６に記載のレーザ照射装置。 - 前記Δｄは、１回のレーザ照射によって結晶成長する長さの１／３倍以上１／２倍以下の距離である請求項５〜請求項７のいずれかに記載のレーザ照射装置。
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| JP2002284503A JP2004119900A (ja) | 2002-09-27 | 2002-09-27 | 半導体薄膜の結晶化方法およびレーザ照射装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007150272A (ja) * | 2005-10-26 | 2007-06-14 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | レーザ照射装置及び半導体装置の製造方法 |
| JP2008042032A (ja) * | 2006-08-08 | 2008-02-21 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | ステージ駆動方法及び該方法を用いたレーザ加工装置 |
| US8891170B2 (en) | 2005-10-26 | 2014-11-18 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation apparatus and manufacturing method of semiconductor device |
-
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- 2002-09-27 JP JP2002284503A patent/JP2004119900A/ja active Pending
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