JP2004266022A - 半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きな結晶粒を有する多結晶半導体薄膜が容易にかつ安定的に得られる結晶成長装置を提供する。
【解決手段】結晶成長装置は、第１照射手段１００と、第２照射手段２００とを備える。第１照射手段１００は、半導体薄膜２０に選択的に第１のレーザ光１１０を照射し、スーパーラテラル成長法にて半導体薄膜２０を結晶化させる手段である。第２照射手段２００は、ガラス基板１０に選択的に第１のレーザ光１００よりも半導体薄膜２０を透過し易い第２のレーザ光２１０を照射し、半導体薄膜２０の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置のガラス基板１０を加熱する手段である。第２照射手段２００は、第２のレーザ光２１０を出射するレーザ発振器２０１と、第２のレーザ光２１０が照射されて所望のアパーチャ像を成形する開口絞り板２０６と、アパーチャ像をガラス基板１０の主表面に結像する対物レンズ２０７とを有している。
【選択図】 図１
【解決手段】結晶成長装置は、第１照射手段１００と、第２照射手段２００とを備える。第１照射手段１００は、半導体薄膜２０に選択的に第１のレーザ光１１０を照射し、スーパーラテラル成長法にて半導体薄膜２０を結晶化させる手段である。第２照射手段２００は、ガラス基板１０に選択的に第１のレーザ光１００よりも半導体薄膜２０を透過し易い第２のレーザ光２１０を照射し、半導体薄膜２０の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置のガラス基板１０を加熱する手段である。第２照射手段２００は、第２のレーザ光２１０を出射するレーザ発振器２０１と、第２のレーザ光２１０が照射されて所望のアパーチャ像を成形する開口絞り板２０６と、アパーチャ像をガラス基板１０の主表面に結像する対物レンズ２０７とを有している。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光などのエネルギービームを用いた半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話機の表示ディスプレイなどに、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ＥＬを利用した表示装置では、画素の表示をスイッチングするために、非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。具体的には、ガラス基板上にこれら薄膜トランジスタを形成し、さらに液晶デバイスや有機ＥＬデバイスをこのガラス基板上に形成することにより、薄型でかつ軽量の表示装置が製造可能になる。
【０００３】
このうち、多結晶シリコン薄膜を用いて形成された薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタよりもキャリア（電子）の移動度が高いため、非晶質シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタに比べて多くの長所を有している。
【０００４】
たとえば、キャリアの移動が高いため、高性能のトランジスタを製作することが可能となる。このため、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素の周辺領域に高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理回路を形成することが可能になる。この結果、別途ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）や回路基板をガラス基板上に実装する必要がなくなり、表示装置を低価格で提供することが可能になる。
【０００５】
また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化することが可能であり、画素部分に形成するスイッチング素子を小さくすることができるため、開口率を高くすることが可能である。この結果、高輝度および高精度の表示装置を提供することが可能になる。
【０００６】
多結晶シリコン薄膜を製造する場合には、一般的にガラス基板にＣＶＤ（化学気相成長法）などで非晶質シリコン薄膜を形成した後に、この非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法が用いられる。
【０００７】
非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法としては、基材全体を６００℃から１０００℃以上の高温に保ち、非晶質シリコン薄膜を溶融させて再結晶化するアニール法がある。この場合には、６００℃以上の高温に耐え得る基材を使用する必要があり、高価な石英基板を用いざるを得ず、装置の低価格化の阻害要因となっていた。
【０００８】
しかしながら、近年では、レーザ光を用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの多結晶化を行う技術が一般化されており、低価格のガラス基板を用いて非晶質シリコン薄膜を多結晶化することが可能となっている。
【０００９】
レーザ光を用いた結晶化技術においては、非晶質シリコン薄膜が形成されたガラス基板を温度４００℃程度に加熱し、ガラス基板を一定速度で走査しながら長さ２００ｍｍから４００ｍｍ、幅０．２ｍｍから１．０ｍｍ程度の線状ビームを非晶質シリコン薄膜に照射する方法が一般的である。この方法によれば、結晶粒径が０．２μｍ程度から０．５μｍ程度の結晶粒が得られる。
【００１０】
なお、レーザ光を照射した部分の非晶質シリコン薄膜は、薄膜の厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残した状態で溶融する。このため、レーザ光の照射領域全域にわたって至るところに結晶核が発生し、シリコン薄膜の最表面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。
【００１１】
しかしながら、この方法によれば、多数の結晶粒がガラス基板上に形成されるため、薄膜中には無数の粒界が存在することになる。このため、この多結晶シリコン薄膜にトランジスタを形成した場合には、キャリアが粒界に散乱されて移動度が低下し、単結晶シリコン基板に比べると、数分の一程度の移動度しか得られない。このため、より高性能のトランジスタを得るためには、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくするとともに、結晶方位を制御することが必要となる。このため、近年においては、単結晶シリコンに近いシリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの研究開発がなされている。
【００１２】
その中に、特開平１１−３０７４５０号公報（特許文献１）や特開昭５８−２０１３２６号公報（特許文献２）などに開示の技術がある。これらの公報に開示された技術では、非晶質シリコン薄膜を溶融されるためのレーザ光に加え、ガラス基板を加熱するためのレーザ光が用いられる。これにより、ガラス基板を局所的に加熱することが可能になるため、従来よりも大型の結晶粒を得ることが可能となる。しかしながら、これら公報に開示の技術を用いても劇的に結晶粒を大きくすることはできず、さらなる研究開発が必要である。
【００１３】
一方、特表２０００−５０５２４１号公報（特許文献３）には、スーパーラテラル成長法と称する技術が開示されている。この公報に開示の結晶成長方法では、スリット状のパルスレーザ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および凝固させて結晶化を行なうものである。以下、このスーパーラテラル成長法について、図を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１８は、１回のパルス照射で形成された針状結晶組織を説明する模式図である。たとえば、幅が２μｍ〜３μｍのスリット状のパルス照射によって、結晶化予定領域２２が溶融し、溶融領域の境界から横方向、すなわち、ガラス基板の主表面に平行な方向（矢印２４で示す方向）に結晶が成長し、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶が衝突し、成長が終了する。この矢印２４で示す方向への結晶の成長をスーパーラテラル成長と称する。この方法を用いた場合に形成可能な結晶の長さは、各種のプロセス条件によって異なるが、たとえば、基板温度３００℃にて波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を用いた場合に、最長１．２μｍ程度の結晶が得られることが知られている（非特許文献１参照）。
【００１５】
さらに、結晶長を長くする方法として、複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法がある。この複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法においては、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射する。これにより、既に成長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。この結果、１回のパルス照射による結晶化に比して大型でかつ結晶の成長方向に方位の揃った針状結晶粒を容易に得られるようになる。
【００１６】
この場合、前述のような１．２μｍ程度の結晶が１回の照射で得られると仮定したならば、照射するスリットを０．６μｍ程度ずつずらせて照射を繰り返すことにより、ずらすことによって結晶成長が引き継がれる回数にもよるが、５μｍ程度から１０μｍ程度の結晶を得ることができると思われる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平１１−３０７４５０号公報
【００１８】
【特許文献２】
特開昭５８−２０１３２６号公報
【００１９】
【特許文献３】
特表２０００−５０５２４１号公報
【００２０】
【非特許文献１】
原亜明人、佐々木信夫，「ガラス上のシリコンの核形成サイトと凝固方向制御−単結晶シリコンＳｉ−ＴＦＴ形成を目指して」，応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキスト，応用物理学会結晶工学分科会，平成１２年６月２０日，ｐ．１９−２５
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のいずれかの技術を用いた場合にも形成される結晶粒の大きさは、依然として十分なものではない。
【００２２】
したがって、本発明は、より大きな結晶粒を有する多結晶半導体薄膜が容易にかつ安定的に得られる半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を提供することを目的とし、特にスーパーラテラル成長法において、一回のレーザ光の照射で得られる結晶粒の大きさを大幅に大きくすることが可能な半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置は、基材上に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射することにより、基材の主表面と略平行方向に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長装置であって、第１照射手段と、第２照射手段とを備える。第１照射手段は、半導体薄膜に選択的に第１のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融させる手段である。第２照射手段は、基材に選択的に第１のレーザ光よりも半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の基材を加熱する手段である。このうち、第２照射手段は、第２のレーザ光を出射する光源と、第２のレーザ光が照射されて所望のアパーチャ像を成形する開口絞り板と、アパーチャ像を基材の主表面に結像する対物レンズとを有している。
【００２４】
このように、半導体薄膜を溶融させる第１照射手段に加え、溶融した半導体薄膜の固化を遅延させる第２照射手段を用いてスーパーラテラル成長を行うことにより、半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になる。このため、形成される結晶の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。また、開口絞り板を用いてアパーチャ像を成形することにより、基材に照射される第２のレーザ光の照射領域を適正化することが可能になる。このため、基材の照射領域全域をにわたって一様に第２のレーザ光を照射することが可能になり、基材の照射領域全域を一様に加熱することが可能になる。この結果、半導体薄膜中に形成される結晶粒を容易に大型化することが可能になる。
【００２５】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２照射手段は、開口絞り板の光源側に配置されかつ透過した第２のレーザ光が光軸と垂直な面において均一な放射照度分布となるように第２のレーザ光を調整する放射照度分布均一化手段をさらに有していることが好ましい。
【００２６】
このように、基材を加熱する第２照射手段に放射照度均一化手段を設けることにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００２７】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２のレーザ光が基材の主表面に斜入射されるように第２照射手段が構成されており、対物レンズは、斜入射される第２のレーザ光の光軸に略垂直に配置され、また開口絞り板は、アパーチャ像の像面が基材の主表面と実質的に重なるように、斜入射される第２のレーザ光の光軸に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
【００２８】
このように、第２のレーザ光が斜入射される場合に、アパーチャ像の像面と基材の主表面とが実質的に重なるように構成することにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００２９】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、基材の主表面に結像されるアパーチャ像が矩形となるように、開口絞り板に設けられた開口の形状が台形に調整されていることが好ましい。
【００３０】
このように、第２のレーザ光が斜入射される場合に、第２照射手段による照射領域が矩形となるように調整することにより、複数回のパルス照射を用いて持続的に結晶を成長させた場合にも基材を一様に加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００３１】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２のレーザ光が基材の主表面に斜入射されるように、第２照射手段が構成されており、対物レンズおよび開口絞り板は、基材の主表面と略平行に配置されていることが好ましい。
【００３２】
このように構成することにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となるため、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００３３】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置のうち、基材の主表面に対して第２のレーザ光が斜入射される半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２照射手段は、開口絞り板の光源側に配置されかつ透過した第２のレーザ光が光軸と垂直な面において均一な放射照度分布となるように第２のレーザ光を調整する放射照度分布均一化手段をさらに有していることが好ましい。
【００３４】
このように、第２のレーザ光が斜入射される場合にあっても、基材を加熱する第２照射手段に放射照度均一化手段を設けることにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００３５】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置のうち、基材の主表面に対して第２のレーザ光が斜入射される半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２照射手段は、開口絞り板と略平行に配置されかつ放射照度分布均一化手段から出射される第２のレーザ光を開口絞り板に対して斜入射させるように第２のレーザ光の照射方向を変更する照射方向変更手段をさらに有していることが好ましい。
【００３６】
このように構成することにより、開口絞り板が第２のレーザ光の光軸に対して傾斜して配置された場合にも、放射照度分布の均一化が図られるため、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。なお、上記の照射方向変更手段を有する半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、照射方向変更手段がプリズムまたはレンズのいずれかであることが好ましい。
【００３７】
本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法は、基材上に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射することにより、基材の主表面と略平行方向に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長方法であって、以下の工程を備えている。
（ａ）半導体薄膜に選択的に第１のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融させる工程。
（ｂ）基材に選択的に第１のレーザ光よりも半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を開口絞り板を介して照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の基材に開口絞り板によって成形されたアパーチャ像を結像することにより、基材を加熱する工程。
【００３８】
このように、半導体薄膜を溶融させるための第１のレーザ光の照射工程に加え、溶融した半導体薄膜の固化を遅延させるための第２のレーザ光の照射工程をさらに具備することにより、半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になり、形成される結晶の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。また、開口絞り板を用いてアパーチャ像を成形することにより、基材に照射される第２のレーザ光の照射領域を適正化することが可能になる。このため、基材の照射領域全域をにわたって一様に第２のレーザ光を照射することが可能になり、基材の照射領域全域を一様に加熱することが可能になる。この結果、半導体薄膜中に形成される結晶粒を容易に大型化することが可能になる。
【００３９】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、第２のレーザ光の照射時間は、第１のレーザ光の照射時間よりも長く、かつ第２のレーザ光の照射期間は、第１のレーザ光の照射期間と同時に照射される期間を含んでいることが好ましい。
【００４０】
このように、照射期間を調整することにより、より安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
発明者は、レーザアニール法を用いて半導体薄膜を結晶化するに際して、スーパーラテラル成長法に注目する一方、半導体薄膜の結晶化領域に対応する領域の基材を一様に加熱することにより、半導体薄膜により大きな結晶粒が形成される点に着目し、本発明を完成させるに至った。
【００４２】
以下においては、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置の構造を示す模式図である。また、図２は、図１に示す半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例をより詳細に示す模式図である。
【００４３】
（半導体薄膜の結晶成長装置の全体構造）
まず、図１を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置の全体構造について説明する。図１に示すように、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置は、第１照射手段１００と、第２照射手段２００と、ステージ３００とを備えている。
【００４４】
ステージ３００上には、基材としてのガラス基板１０が載置される。このガラス基板１０の主表面上には、前工程において半導体薄膜２０が予め成膜されている。半導体薄膜２０としては、たとえば、非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜などが適用可能である。
【００４５】
（第１照射手段の構成）
第１照射手段１００は、レーザ発振器１０１と、可変減衰手段１０２と、ビーム整形手段１０３と、放射照度分布均一化手段１０４と、フィールドレンズ１０５と、マスク１０６と、対物レンズ１０７と、折返しミラー１０８とを主に備えている。
【００４６】
レーザ発振器１０１は、第１のレーザ光１１０を出射する。この第１のレーザ光１１０は、半導体薄膜２０を溶融させることが可能なパルス状のレーザ光である。第１のレーザ光１１０としては、たとえば、エキシマレーザ光やＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）レーザ光に代表される各種固体レーザ光などの紫外域の波長を有するレーザ光が利用される。
【００４７】
可変減衰手段１０２は、第１のレーザ光１１０のビーム強度を補正する手段である。ビーム整形手段１０３は、第１のレーザ光１１０のビーム形状を補正する手段である。また、放射照度分布均一化手段１０４は、第１のレーザ光１１０の光軸と垂直に交わる面における放射照度分布を均一にする手段である。この放射照度分布均一化手段１０４は、たとえばシリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを組み合わせることによって構成され、光軸と垂直に交わる面においてガウシアン型放射照度分布を有するレーザ光を一旦分割して再度重ね合わせることにより、放射照度分布の均一化を図る手段である。
【００４８】
フィールドレンズ１０５は、放射照度分布均一化手段１０４を透過した第１のレーザ光１１０をマスク１０６に照射するためのレンズである。マスク１０６は、その主面にビームを透過する複数のスリットを有しており、スリット以外の部分に照射されたレーザ光を遮光する手段である。対物レンズ１０７は、マスク１０６が有するスリットを透過したビームをマスク像として半導体薄膜２０上に結像する手段である。
【００４９】
なお、折返しミラー１０８は、第１のレーザ光１１０の照射方向を変更する手段であって、たとえばミラー以外にもレンズ等によって構成することも可能である。この折返しミラー１０８は、装置の光学設計や機械設計に応じて適切に配置すればよく、その設置箇所や設置数量は特に制限されるものではない。
【００５０】
（第２照射手段の構成）
第２照射手段２００は、光源としてのレーザ発振器２０１と、ビーム拡大手段２０２と、放射照度分布均一化手段２０４と、フィールドレンズ２０５と、開口絞り板２０６と、対物レンズ２０７とを主に備えている。
【００５１】
レーザ発振器２０１は、第２のレーザ光２１０を出射する。この第２のレーザ光２１０は、ガラス基板１０を加熱することが可能なパルス状のレーザ光である。第２のレーザ光２１０としては、たとえば、炭酸ガスレーザ光やＹＡＧレーザ光などが利用可能である。ただし、第１照射手段１００によって放射される第１のレーザ光１１０よりもガラス基板１０上に成膜された半導体薄膜２０を透過し易いレーザ光を採用する必要がある。
【００５２】
ビーム拡大手段２０２は、レーザ発振器２０１から出射された第２のレーザ光２１０を拡大し、平行光線とする手段である。このビーム拡大手段２０２としては、たとえばガリレオタイプのビーム拡大器が用いられる。
【００５３】
放射照度分布均一化手段２０４は、第２のレーザ光２１０の光軸と垂直に交わる面における放射照度分布を均一にする手段である。たとえば、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズを組み合わせて構成され、光軸と垂直に交わる面においてガウシアン型放射照度分布を有するレーザ光を一旦分割して再度重ね合わせることにより、放射照度分布の均一化を図る手段である。
【００５４】
フィールドレンズ２０５は、放射照度分布均一化手段２０４を透過した第２のレーザ光２１０を開口絞り板２０６に照射するレンズである。開口絞り板２０６はその主面に開口を有しており、照射された第２のレーザ光２１０の光量を絞るとともに所望のアパーチャ像を成形する手段である。対物レンズ２０７は、開口絞り板２０６によって絞られた第２のレーザ光２１０をアパーチャ像としてガラス基板１０上に結像する手段である。
【００５５】
なお、必要に応じて、第２のレーザ光２１０の照射方向を変更する手段として折返しミラーやレンズ、プリズム等を配置してもよい。これらの照射方向変更手段は、装置の光学設計や機械設計に応じて適切に配置すればよく、その設置箇所や設置数量は特に制限されるものではない。
【００５６】
（第２照射手段における各光学系の配置とレーザ光の光路との関係）
次に、図２を参照して、上述の第２照射手段２００における各光学系の配置と第２のレーザ光２１０の光路との関係について、より詳細に説明する。
【００５７】
図２に示すように、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置においては、第２照射手段２００から放射された第２のレーザ光２１０は、ガラス基板１０の主表面に斜入射されるように構成されている。この第２のレーザ光２１０の光軸上に、上述の各種光学系が配置される。本実施の形態においては、このうち開口絞り板２０６と対物レンズ２０７とが、第２のレーザ光２１０の光軸に対して略垂直に交わるように配置されている。
【００５８】
レーザ発振器２０１から出射された第２のレーザ光２１０は、ビーム拡大手段２０２によって第２のレーザ光２１０の光軸に垂直に交わる面において適当な形状に調整され、平行光線化されて放射照度分布均一化手段２０４に照射される。放射照度分布均一化手段２０４により、光軸と垂直に交わる面において放射照度分布が均一化された第２のレーザ光２１０は、フィールドレンズ２０５を介して開口絞り板２０６に照射される。開口絞り板２０６に設けられた開口を透過した第２のレーザ光２１０は、対物レンズ２０７によってガラス基板１０の主表面１１の所定領域に選択的に照射される。
【００５９】
この結果、開口絞り板２０６が配置された面が物体面２２０として作用することになり、この物体面２２０に位置する物体、すなわち開口絞り板２０６の像（アパーチャ像）が対物レンズ２０７によって像面２２２に結像されることになる。この像面２２２がガラス基板１０の主表面１１と光軸において交差するように各種光学系の位置を調節することにより、アパーチャ像がガラス基板１０の主表面１１に形成され、このアパーチャ像が形成された部分のガラス基板１０が加熱されることになる。
【００６０】
なお、第２のレーザ光２１０は、上述の通り、ガラス基板１０上に成膜された半導体薄膜２０を透過し易いレーザ光に調節されている。このため、第２のレーザ光２１０が半導体薄膜２０によって吸収されることはほとんどなく、効果的にガラス基板１０を加熱することが可能である。
【００６１】
（半導体薄膜の結晶成長方法）
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法について説明する。図３および図４は、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための図であり、図３は半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式平面図、図４は模式断面図である。
【００６２】
図３および図４に示すように、ガラス基板１０の主表面１１上には、前工程において予め半導体薄膜２０が成膜されている。本実施の形態においては、スーパーラテラル成長法を適用することを前提としているため、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２は、たとえば２μｍ程度から１０μｍ程度の微細な幅に調整されている。なお、結晶化予定領域２２の長さ方向には特に制限はないが、少なくとも上述の幅よりも大きく調整することが必要である。この半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２には、上述の第１照射手段１００を用いて第１のレーザ光１１０が照射される。
【００６３】
図４に示すように、第２照射手段２００によって第２のレーザ光２１０が照射されるガラス基板１０の照射領域１２は、上述の半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２に対応する領域を含むように調整されている。すなわち、図３に示すように、ガラス基板１０および半導体薄膜２０を平面的に見た場合に、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２は、ガラス基板１０の照射領域１２に重複するように調整されている。
【００６４】
なお、図３に示すように、第１照射手段１００によって照射される第１のレーザ光１１０は、半導体薄膜２０の主表面２１に略垂直に入射するように構成される。これに対し、第２照射手段２００によってガラス基板１０照射される第２のレーザ光２１０は、ガラス基板１０の主表面に斜入射するように構成される。
【００６５】
次に、半導体薄膜を結晶化する手順について説明する。本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法は、半導体薄膜２０に選択的に第１のレーザ光１１０を照射し、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２を溶融させる工程と、ガラス基板１０に選択的に第１のレーザ光１１０よりも半導体薄膜２０を透過し易い第２のレーザ光２１０を開口絞り板２０６を介して照射し、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２を含む領域に対応する位置のガラス基板１０に開口絞り板２０６によって成形されたアパーチャ像を結像することにより、ガラス基板１０を加熱する工程とを主に備えている。
【００６６】
具体的には、まず第２照射手段２００により、ガラス基板１０を加熱する。このとき、ガラス基板１０に生じる熱によって半導体薄膜２０が溶融しない程度に、第２照射手段２００による第２のレーザ光２１０の照射量を調整する。次に、第２照射手段２００によるガラス基板１０の加熱を継続したまま、第１照射手段１００によって半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２を加熱し溶融させる。半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２の溶融が完了した時点で第１照射手段１００による照射を停止する。この後も一定時間、第２照射手段２００によるガラス基板１０の加熱を継続する。以上により、半導体薄膜２０の結晶化が完了する。
【００６７】
このような手順で第１のレーザ光１１０および第２のレーザ光２１０を照射することにより、半導体薄膜にスーパーラテラル成長が生じる。スーパーラテラル成長法は、スリット状のパルスレーザ（第１のレーザ光）によって加熱された領域の半導体薄膜が溶融し、未溶融領域との境界から横方向、すなわちガラス基板の主表面と略平行方向に結晶が成長し、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶同士が衝突することによって結晶成長が終了する結晶成長方法である。このスーパーラテラル成長法においては、半導体薄膜の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固が行われる。
【００６８】
なお、第１照射手段１００による第１のレーザ光１１０の照射は、第２照射手段２００による第２のレーザ光２１０の照射が開始されたあとに開始されるが、少なくとも第２のレーザ光２１０の照射期間は、第１のレーザ光１１０の照射期間を含みかつより長い時間照射を行うように調整する必要がある。すなわち、第２のレーザ光２１０の照射時間は、第１のレーザ光１１０の照射時間よりも長く、かつ第２のレーザ光２１０の照射期間は、第１のレーザ光１１０の照射期間と同時に照射される期間を含むように調整する。これにより、半導体薄膜２０の結晶化予定領域が適切に長い間溶融状態を保つようになり、結晶化の進行が遅延するようになる。ただし、第２のレーザ光２１０を長時間にわたって照射し続けるとガラス基板１０の温度が上昇し過ぎるため、ガラス基板１０に損傷を与えるおそれがある。このため、第２のレーザ光２１０の照射時間は、ガラス基板１０に損傷を与えない程度に調整する必要がある。
【００６９】
（作用・効果）
上述の如くの半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を用いて半導体薄膜２０の結晶化を行うことにより、一回の照射で得られる結晶粒の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。これは、第２照射手段２００によってガラス基板１０が加熱されることにより、第１照射手段１００によって溶融された部分が凝固する際の冷却速度が遅延させられるためであり、溶融した半導体薄膜２０がゆっくりと凝固するためである。
【００７０】
ここで、本実施の形態においては、開口絞り板２０６を用いて第２のレーザ光２１０の照射領域を規定している。このため、ガラス基板１０に照射される第２のレーザ光２１０の照射領域１２を容易に適正化することが可能になる。この結果、ガラス基板１０の照射領域１２の全域にわたって一様に第２のレーザ光２１０を照射することが可能となり、ガラス基板１０の照射領域１２全域を一様に加熱することが可能になる。これにより、半導体薄膜２０中に形成される結晶粒を容易に大型化することが可能になる。
【００７１】
また、本実施の形態においては、第２のレーザ光２１０として第１のレーザ光１１０よりも半導体薄膜２０を透過し易いレーザ光を用いているため、第２のレーザ光２１０が半導体薄膜２０によって吸収されることが少なくなり、ガラス基板１０の半導体薄膜２０の界面付近を局所的に加熱することが可能になる。このため、効果的に溶融した部分の半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になる。
【００７２】
また、本実施の形態における第２照射手段２００は、上述の通り、放射照度分布均一化手段２０４を有している。通常レーザ発振器から出射されるレーザ光は、光軸に垂直に交わる面において、中央部の放射照度が高く、周縁部に移るに連れて放射照度が低くなるガウシアン型放射照度分布を有している。このため、何ら処理をしないレーザ光をそのまま用いてガラス基板を加熱した場合には、照射領域においてガラス基板が一様に加熱されず、周縁部分において加熱不足が生じることがある。
【００７３】
しかしながら、本実施の形態においては、放射照度分布均一化手段２０４を用いて第２のレーザ光２１０の放射照度分布を均一化しているため、照射領域１２全域にわたってほぼ同じ放射照度に保たれる。このため、照射領域１２の全域にわたって一様に加熱することができるようになり、安定した結晶化を行うことが可能となる。なお、本実施の形態においては、放射照度分布均一化手段２０４として、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズを組み合わせたものを使用したが、カレイドスコープ（万華鏡）の原理を用いた光学系などを採用することも可能である。
【００７４】
（実施例）
以下においては、本実施の形態に基づいた実施例について、図面を参照して説明する。
【００７５】
（実施例１）
本実施例においては、半導体薄膜として非晶質シリコン薄膜を採用し、第１のレーザ光として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を採用した。また第２のレーザ光としては、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を採用した。
【００７６】
図５は、本実施例において用いた第１照射手段のマスクのパターンを示す平面図である。図５に示すように、マスク１０６は、複数のスリット１０６ａを有する。スリット１０６ａは、マスク面上において、ピッチＰ、幅Ｄで配置されており、個々のスリット１０６ａの長さはＡで表わされる。このスリット１０６ａを透過したスリット状のパルスビームは、所定倍率で非晶質シリコン薄膜に照射される。
【００７７】
一方、第２照射手段によるガラス基板の照射領域は、マスク１０６によって半導体薄膜の主表面に結像されるマスク像すべての領域に対応する位置を含むように調整されている。
【００７８】
上述の結晶成長装置および結晶成長方法を用い、スリット状のパルスビームの幅を２μｍ程度から５０μｍ程度に調整し、放射照度５００ｍＪ／ｃｍ２のＸｅＣｌエキシマレーザ光を照射時間５０ｎｓで一回照射した。この場合に得られる結晶粒の結晶長が、最大で１０μｍ程度にまで達することが発明者によって確認された。この結晶長が最大で１０μｍ程度の結晶粒は、従来得られていた結晶長が１．２μｍ程度の結晶粒に比べ大幅に大型化していることになる。これは、一意に結晶化予定領域を含む領域に対応する位置のガラス基板を第２照射手段を用いて一様に加熱したことによるものであり、一回のパルス照射で得られる結晶粒の結晶長を大型化する場合に極めて有効な手段であることが分かる。
【００７９】
しかしながら、この結晶長が１０μｍ程度の結晶粒が形成された半導体薄膜においても、用途によっては、製作するトランジスタの大きさに比較すれば依然として結晶粒は小さく、このままトランジスタを製作することは実用的ではない場合もある。
【００８０】
そこで、さらに結晶長を長くするために、発明者は複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法を適用した。この複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法は、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射するものである。これにより、既に成長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ようになる。
【００８１】
図６は、複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法により、針状結晶粒が成長する様子を示した模式図である。スーパーラテラル成長は、上述の通り、パルスレーザを１回照射することで完了する（図１８参照）。しかしながら、図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、一旦、半導体薄膜にビームを照射して照射領域２３ａを溶融させた後、この部分を含むように僅かにずらしてパルスレーザを照射し、照射領域２３ｂを溶融させる。これにより、この部分で結晶がさらに成長するようになる。図６（ｂ）に示すように、次にまた少しずらした位置にビームを照射して照射領域２３ｃを形成する。さらに、僅かずつずらして照射領域２３ｄおよび２３ｅを形成することにより、結晶をさらに伸ばすことができる。すなわち、１回前の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順次パルスレーザを照射していくと、既に成長した結晶を引き継いでさらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長い結晶が得られるようになる。
【００８２】
上述の条件において、この複数回のレーザ照射を行うことにより、最大で５０μｍ程度の結晶長を有する針状結晶粒が形成可能であることが発明者によって確認された。この５０μｍ程度の結晶長を有する針状結晶粒は、従来得られていた結晶長が１０μｍ程度の針状結晶粒に比べて大幅に大型化していることになる。これは、一意に結晶化予定領域を含む領域に対応する位置のガラス基板を第２照射手段を用いて一様に加熱したことによるものであり、一回のパルス照射で得られる結晶粒の結晶長が大型化すること、および繰り返し行なうパルス照射によって引き継がれる結晶成長がより多い回数持続することによる。
【００８３】
このようにして長い針状結晶粒を形成すると、そこにデバイスを形成することが可能になる。図７は、その様子を示す模式図である。図７では、長く形成された針状結晶粒３０上にソース、ドレインおよびチャネルを有するトランジスタ４０を形成し、それを制御するゲートを配置した例を示す。ここでチャネルの中を流れるキャリアの向きと、針状結晶粒３０の成長した方向とを同じ向きにとることにより、キャリアの粒界による散乱が抑えられるため、高性能のトランジスタを得ることができる。すなわち、トランジスタの配置に、チャネル方向を一方向になるような制限を加えることによって、高性能なトランジスタ群を形成することが可能になる。
【００８４】
（実施例２）
本実施例においては、上述の実施例１と同様に、半導体薄膜として非晶質シリコン薄膜を採用し、第１のレーザ光として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を採用し、第２のレーザ光として波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を採用した。上述の実施例と異なる点は、第１照射手段１００のマスク１０６のパターンである。
【００８５】
図８は、本実施例において用いた第１照射手段のマスクのパターンを示す平面図である。図８に示すように、マスク１０６には、開口部１０６ｂ〜１０６ｅが設けられている。開口部１０６ｂ〜１０６ｅは、それらが半導体薄膜上に結像された時に概ねトランジスタのチャネル領域の大きさと位置に一致する形状に調節されている。
【００８６】
図８に示すマスク１０６を用いて半導体薄膜２０にレーザ照射を行った場合に半導体薄膜２０上に形成される結晶化パターンを図９に示す。上述の結晶成長装置および結晶成長方法を用い、開口部１０６ｂ〜１０６ｅを介して第１のレーザ光を一回のパルス照射で照射することにより、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２が溶融・固化し、固化する過程において結晶化が生じる。このとき、開口部１０６ｂ〜１０６ｅの周縁部から結晶化が生じるため、図９に示すように、開口部１０６ｂ〜１０６ｅの中心に向かってスーパーラテラル成長が生じる。このとき生じる結晶粒の大きさは最大で１０μｍ程度であり、トランジスタのチャネル領域の大きさと比べて、ほぼ同等の大きさである。
【００８７】
図１０は、図９に示す半導体薄膜上にトランジスタを形成した様子を示す平面図である。図１０に示すように、トランジスタ４０ｂ〜４０ｅのソースおよびドレインがチャネル領域４２ｂ〜４２ｅを挟んで配置され、チャネル領域４２ｂ〜４２ｅの上部にはゲート電極が配置される。このとき、チャネル領域４２ｂ〜４２ｅを流れるキャリアの向きに結晶化領域の結晶成長方向が一致するように配置することにより、キャリアが結晶粒界により散乱されることが少なくなるため、極めて移動度の高いトランジスタを得ることが可能になる。また、本実施例の如くのマスクを用いることにより、トランジスタの配置に制約がなくなるため、自由にトランジスタを配置できるようになる。
【００８８】
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置は、上述の実施の形態１とほぼ同様の構造を有しているが、第２照射手段の光学系の配置が上述の実施の形態１とは異なっており、これに伴い第２のレーザ光の光路にも相違が生じている。
【００８９】
上述のように、本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法では、第２照射手段によるガラス基板の加熱を第２のレーザ光が照射される照射領域中において一様に保つことが重要になる。しかしながら、上述の実施の形態１に示す構成の第２照射手段とした場合には、第２のレーザ光がガラス基板の主表面に対して斜入射されるように構成されている。このため、第２のレーザ光がガラス基板に対して大きく傾斜するように構成した場合には、アパーチャ像が良好に結像されない場合がある。
【００９０】
これは、対物レンズを透過した第２のレーザ光がガラス基板に到達する際に、対物レンズを透過した位置によってガラス基板に到達するまでに要する距離が異なるためである。このため、ガラス基板の主表面に形成されたアパーチャ像が焦点ずれを起こし、アパーチャ像がそれほどシャープに得られないという問題を引き起こす。アパーチャ像がシャープに結像されない場合には、アパーチャ像の輪郭部が単にぼけるばかりでなく、その照射強度分布が不均一になる場合が多い。これは、アパーチャ像のぼけが焦点面の前と後ろでは必ずしも対称ではないためである。この結果、照射領域内における一様加熱が困難になる場合がある。
【００９１】
そこで、本実施の形態においては、第２照射手段２００の各光学系の配置を図１１に示す如くの配置とした。すなわち、斜入射される第２のレーザ光２１０の光軸に略垂直となるように対物レンズ２０７を配置し、アパーチャ像の像面２２２とガラス基板１０の主表面１１とが実質的に重なるように、開口絞り板２０６を第２のレーザ光２１０に対して傾斜して配置している。
【００９２】
換言すれば、第２のレーザ光２１０の光軸に対して垂直に開口絞り板２０６を配置した状態から、対物レンズ２０７からより遠いガラス基板１０上の位置に位置する結像点１２ａ１に対応する開口絞り板２０６の開口の一端２０６ａ１を対物レンズ２０７により近い位置にくるように、かつ、対物レンズ２０７からより近いガラス基板１０上の位置に位置する結像点１２ａ２に対応する開口絞り板２０６の開口の他端２０６ａ２を対物レンズ２０７により遠い位置にくるように、開口絞り板２０６を傾斜させて配置する。つまり、開口絞り板２０６の開口の一端２０６ａ１がガラス基板１０上の点１２ａ１に、開口の他端２０６ａ２がガラス基板１０上の点１２ａ２にそれぞれ結像するように、開口絞り板２０６を傾斜させて配置する。
【００９３】
これにより、アパーチャ像の輪郭部がガラス基板１０上にシャープに結像されるようになる。この結果、照明強度分布均一化手段２０４によって照明強度が均一化された光線がそのままガラス基板１０上に結像されるため、照明強度分布の不均一が生じ難くなる。
【００９４】
このように、ガラス基板１０上に結像されるアパーチャ像の焦点ずれが補正されるため、シャープな輪郭のアパーチャ像が実現され、照射領域の周縁部においても一様に加熱することが可能になる。なお、開口絞り板２０６を光軸に対して傾斜させる角度は、対物レンズ２０７からガラス基板１０までの距離や対物レンズ２０７の焦点距離等によって、幾何光学的に決まる。
【００９５】
また、本実施の形態の如く、第２のレーザ光２１０をガラス基板１０の主表面に対して斜入射させ、かつ斜入射される第２のレーザ光２１０の光軸に対して対物レンズ２０７を略垂直に配置した場合には、対物レンズ２０７からのガラス基板１０に至るまでの距離が対物レンズ２０７の部分部分によって異なっているため、結像されるアパーチャ像の倍率が異なることになる。この結果、開口絞り板２０６の開口を矩形に調整した場合には、ガラス基板１０に形成されるアパーチャ像は台形となる。
【００９６】
そこで、図１２（ａ）に示すように、開口絞り板２０６に設ける開口２０６ａの形状を台形とすることが望ましい。この台形の開口２０６ａを有する開口絞り板２０６を用いてアパーチャ像をガラス基板１０上に結像させることにより、図１２（ｂ）に示す如くの矩形の照射領域１２が得られるようになる。
【００９７】
このように、照射領域を矩形に調整することにより、上述の実施例１において説明した複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法を採用した場合にも、各パルス照射による照射領域が矩形となるため、その境界部分の繋ぎ合わせが均一になる。この結果、安定して一様にガラス基板を加熱することが可能になり、大型の結晶粒を形成することが促進されるようになる。
【００９８】
（実施の形態３）
図１３は、本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置においては、上述の実施の形態２と同様に、対物レンズ２０７は斜入射される第２のレーザ光２１０の光軸に略垂直に配置され、開口絞り板２０６はアパーチャ像の像面がガラス基板１０の主表面１１と実質的に重なるように、第２のレーザ光２１０に対して傾斜して配置されている。
【００９９】
しかしながら、上述の実施の形態２の如くの光学系の配置とした場合には、開口絞り板２０６に対して、第２のレーザ光２１０が傾斜して入射する結果、開口絞り板２０６の開口部において照明強度の不均一が生じる。このため、ガラス基板１０の照射領域全面にわたって均一に加熱することが困難になる場合がある。
【０１００】
そこで、本実施の形態においては、第２照射手段２００の各光学系の配置を図１３に示す如くの配置とした。すなわち、放射照度分布均一化手段２０４によって放射照度分布が均一化された第２のレーザ光２１０が、開口絞り板２０６に対して斜入射されるように、開口絞り板２０６とフィールドレンズ２０５との間に照射方向変更手段としてのレンズ２０８を配置した。ここで、レンズ２０８は開口絞り板２０６と略平行に配置される。
【０１０１】
このように構成することにより、放射照度分布均一化手段２０４から開口絞り板２０６までの距離がどの部分においても同じとなるため、開口絞り板２０６を光軸に対して傾斜させた場合にも放射照度分布が不均一になることが回避されるようになる。この結果、ガラス基板１０の照射領域全域にわたって一様に加熱することが可能になる。
【０１０２】
図１４は、本実施の形態における第２照射手段の光学系の他の構成例を示す模式図である。本実施の形態においては、照射方向変更手段として、図１４に示す如くのプリズム２０９を使用することが可能である。上述のレンズ２０８に代えてプリズム２０９を使用することにより、第２照射手段２００の小型化が可能になり、装置設計が容易となる。
【０１０３】
（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。上述の実施の形態１から３と同様に、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置においても、第２のレーザ光２１０はガラス基板１０の主表面１１に対して斜入射されている。しかしながら、上述のいずれの実施の形態とも異なり、対物レンズ２０７および開口絞り板２０６がガラス基板１０の主表面１１と略平行に配置されている。
【０１０４】
このような構成とすることにより、開口絞り板２０６から対物レンズ２０７までの距離は、開口絞り板２０６に形成された開口部のどの位置においても等しくなるため、また対物レンズ２０７とガラス基板１０の間の距離もどの位置においても同じとなるため、アパーチャ像のガラス基板１０への結像倍率は照射領域全域にわたって一定となる。このため、開口絞り板２０６の開口部と相似形のアパーチャ像とすることが可能となり、開口を台形に調節する必要なく、ガラス基板１０の均一加熱が可能となる。
【０１０５】
（実施の形態５）
図１６は、本発明の実施の形態５における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。本実施の形態における半導体薄膜装置の結晶成長装置においては、上述の実施の形態４と同様に、第２のレーザ光２１０がガラス基板１０の主表面１１に対して斜入射されており、かつ対物レンズ２０７および開口絞り板２０６がガラス基板１０の主表面１１と略平行に配置されている。
【０１０６】
しかしながら、上述の実施の形態４の如くの光学系の配置とした場合には、開口絞り板２０６に対して、第２のレーザ光２１０が傾斜して入射する結果、開口絞り板２０６の開口部において照明強度の不均一が生じる。このため、ガラス基板１０の照射領域全面にわたって均一に加熱することが困難になる場合がある。
【０１０７】
そこで、本実施の形態においては、第２照射手段２００の各光学系の配置を図１６に示す如くの配置とした。すなわち、放射照度分布均一化手段２０４によって放射照度分布が均一化された第２のレーザ光２１０が、開口絞り板２０６に対して斜入射されるように、開口絞り板２０６とフィールドレンズ２０５との間に照射方向変更手段としてのレンズ２０８を配置した。ここで、レンズ２０８は開口絞り板２０６と略平行に配置される。
【０１０８】
このように構成することにより、放射照度分布均一化手段２０４から開口絞り板２０６までの距離がどの部分においても同じとなるため、開口絞り板２０６を光軸に対して傾斜させた場合にも放射照度分布が不均一になることが回避されるようになる。この結果、ガラス基板１０の照射領域全域にわたって一様に加熱することが可能になる。
【０１０９】
また、上記構成とすることにより、開口絞り板２０６から対物レンズ２０７までの距離は、開口絞り板２０６に形成された開口部のどの位置においても等しくなり、また対物レンズ２０７とガラス基板１０の間の距離もどの位置においても同じになるため、アパーチャ像のガラス基板１０への結像倍率は照射領域全域にわたって一定となる。このため、開口絞り板２０６の開口部と相似形のアパーチャ像とすることが可能となり、開口を台形に調節する必要なく、ガラス基板１０の均一加熱が可能となる。
【０１１０】
図１７は、本実施の形態における第２照射手段の光学系の他の構成例を示す模式図である。本実施の形態においては、照射方向変更手段として、図１６に示す如くのプリズム２０９を使用することが可能である。上述のレンズ２０８に代えてプリズム２０９を使用することにより、第２照射手段２００の小型化が可能になり、装置設計が容易となる。
【０１１１】
なお、上述の実施の形態１においては、第１照射手段のマスクの光透過部の形状を矩形のスリットとした場合を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、メッシュ形状、鋸歯形状、波形状などの種々の形状を採用することが可能である。
【０１１２】
また、上述の実施の形態においては、半導体薄膜の主表面に第２のレーザ光を斜入射させた場合を例示して説明を行なったが特にこれに限定されるものでは、垂直に入射するように構成しても構わない。
【０１１３】
また、上述の実施の形態においては、ガラス基板などの基材上に直接非晶質シリコン薄膜などの半導体薄膜を成膜した場合を例示して説明を行なったが、基材と半導体薄膜との間に、半導体薄膜の溶融の際の熱的な影響が基材に及ばないようにするための、また基材中の不純物が半導体薄膜に拡散しないようにするためのバッファ層を設けてもよい。薄膜としてシリコン薄膜を採用した場合には、バッファ層としてたとえば酸化シリコン膜などが適用可能である。
【０１１４】
このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【０１１５】
【発明の効果】
本発明によれば、一回のレーザ光の照射で得られる結晶粒の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。また、複数回のレーザ照射を適用することにより、さらに大きな結晶長を有する多結晶半導体薄膜が容易にかつ安定的に得られるようになる。この結果、従来に比して結晶化に要する時間が大幅に削減されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置の全体構造を示す模式図である。
【図２】図１に示す半導体薄膜の結晶装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式断面図である。
【図５】本発明の実施例１におけるマスクの形状を示す平面図である。
【図６】複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法により、針状結晶粒が成長する様子を示す模式図である。
【図７】図６に示す方法を用いて形成した半導体薄膜にトランジスタを形成した様子を示す模式図である。
【図８】本発明の実施例２におけるマスクの形状を示す平面図である。
【図９】本発明の実施例２において半導体薄膜が結晶化された後の状態を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施例２において、トランジスタが形成された後の状態を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置の開口絞り板の形状とアパーチャ像の形状とを示す模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の他の構成例を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態５における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態５における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の他の構成例を示す模式図である。
【図１８】従来のスーパーラテラル成長法において、１回の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。
【符号の説明】
１０ ガラス基板、１１ （ガラス基板の）主表面、１２ （第２のレーザ光による）照射領域、１２ａ１，１２ａ２ （結像）点、２０ 半導体薄膜、２１（半導体薄膜の）主表面、２２ 結晶化予定領域、２３ａ〜２３ｅ （第１のレーザ光による）照射領域、３０ 針状結晶粒、４０，４０ｂ〜４０ｅ トランジスタ、４２ｂ〜４２ｅ チャネル領域、１００ 第１照射手段、１０１ レーザ発振器、１０２ 可変減衰手段、１０３ ビーム整形手段、１０４ 放射照度分布均一化手段、１０５ フィールドレンズ、１０６ マスク、１０６ａ スリット、１０６ｂ〜１０６ｄ 開口部、１０７ 対物レンズ、１０８ 折返しミラー、１１０ 第１のレーザ光、２００ 第２照射手段、２０１ レーザ発振器、２０２ ビーム拡大手段、２０４ 放射照度分布均一化手段、２０５ フィールドレンズ、２０６ 開口絞り板、２０６ａ 開口、２０６ａ１ 一端、２０６ａ２ 他端、２０７ 対物レンズ、２０８ レンズ、２０９ プリズム、２１０ 第２のレーザ光、２２０ 物体面、２２２ 像面、３００ ステージ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光などのエネルギービームを用いた半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話機の表示ディスプレイなどに、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ＥＬを利用した表示装置では、画素の表示をスイッチングするために、非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。具体的には、ガラス基板上にこれら薄膜トランジスタを形成し、さらに液晶デバイスや有機ＥＬデバイスをこのガラス基板上に形成することにより、薄型でかつ軽量の表示装置が製造可能になる。
【０００３】
このうち、多結晶シリコン薄膜を用いて形成された薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタよりもキャリア（電子）の移動度が高いため、非晶質シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタに比べて多くの長所を有している。
【０００４】
たとえば、キャリアの移動が高いため、高性能のトランジスタを製作することが可能となる。このため、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素の周辺領域に高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理回路を形成することが可能になる。この結果、別途ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）や回路基板をガラス基板上に実装する必要がなくなり、表示装置を低価格で提供することが可能になる。
【０００５】
また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化することが可能であり、画素部分に形成するスイッチング素子を小さくすることができるため、開口率を高くすることが可能である。この結果、高輝度および高精度の表示装置を提供することが可能になる。
【０００６】
多結晶シリコン薄膜を製造する場合には、一般的にガラス基板にＣＶＤ（化学気相成長法）などで非晶質シリコン薄膜を形成した後に、この非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法が用いられる。
【０００７】
非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法としては、基材全体を６００℃から１０００℃以上の高温に保ち、非晶質シリコン薄膜を溶融させて再結晶化するアニール法がある。この場合には、６００℃以上の高温に耐え得る基材を使用する必要があり、高価な石英基板を用いざるを得ず、装置の低価格化の阻害要因となっていた。
【０００８】
しかしながら、近年では、レーザ光を用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの多結晶化を行う技術が一般化されており、低価格のガラス基板を用いて非晶質シリコン薄膜を多結晶化することが可能となっている。
【０００９】
レーザ光を用いた結晶化技術においては、非晶質シリコン薄膜が形成されたガラス基板を温度４００℃程度に加熱し、ガラス基板を一定速度で走査しながら長さ２００ｍｍから４００ｍｍ、幅０．２ｍｍから１．０ｍｍ程度の線状ビームを非晶質シリコン薄膜に照射する方法が一般的である。この方法によれば、結晶粒径が０．２μｍ程度から０．５μｍ程度の結晶粒が得られる。
【００１０】
なお、レーザ光を照射した部分の非晶質シリコン薄膜は、薄膜の厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残した状態で溶融する。このため、レーザ光の照射領域全域にわたって至るところに結晶核が発生し、シリコン薄膜の最表面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。
【００１１】
しかしながら、この方法によれば、多数の結晶粒がガラス基板上に形成されるため、薄膜中には無数の粒界が存在することになる。このため、この多結晶シリコン薄膜にトランジスタを形成した場合には、キャリアが粒界に散乱されて移動度が低下し、単結晶シリコン基板に比べると、数分の一程度の移動度しか得られない。このため、より高性能のトランジスタを得るためには、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくするとともに、結晶方位を制御することが必要となる。このため、近年においては、単結晶シリコンに近いシリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの研究開発がなされている。
【００１２】
その中に、特開平１１−３０７４５０号公報（特許文献１）や特開昭５８−２０１３２６号公報（特許文献２）などに開示の技術がある。これらの公報に開示された技術では、非晶質シリコン薄膜を溶融されるためのレーザ光に加え、ガラス基板を加熱するためのレーザ光が用いられる。これにより、ガラス基板を局所的に加熱することが可能になるため、従来よりも大型の結晶粒を得ることが可能となる。しかしながら、これら公報に開示の技術を用いても劇的に結晶粒を大きくすることはできず、さらなる研究開発が必要である。
【００１３】
一方、特表２０００−５０５２４１号公報（特許文献３）には、スーパーラテラル成長法と称する技術が開示されている。この公報に開示の結晶成長方法では、スリット状のパルスレーザ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および凝固させて結晶化を行なうものである。以下、このスーパーラテラル成長法について、図を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１８は、１回のパルス照射で形成された針状結晶組織を説明する模式図である。たとえば、幅が２μｍ〜３μｍのスリット状のパルス照射によって、結晶化予定領域２２が溶融し、溶融領域の境界から横方向、すなわち、ガラス基板の主表面に平行な方向（矢印２４で示す方向）に結晶が成長し、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶が衝突し、成長が終了する。この矢印２４で示す方向への結晶の成長をスーパーラテラル成長と称する。この方法を用いた場合に形成可能な結晶の長さは、各種のプロセス条件によって異なるが、たとえば、基板温度３００℃にて波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を用いた場合に、最長１．２μｍ程度の結晶が得られることが知られている（非特許文献１参照）。
【００１５】
さらに、結晶長を長くする方法として、複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法がある。この複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法においては、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射する。これにより、既に成長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。この結果、１回のパルス照射による結晶化に比して大型でかつ結晶の成長方向に方位の揃った針状結晶粒を容易に得られるようになる。
【００１６】
この場合、前述のような１．２μｍ程度の結晶が１回の照射で得られると仮定したならば、照射するスリットを０．６μｍ程度ずつずらせて照射を繰り返すことにより、ずらすことによって結晶成長が引き継がれる回数にもよるが、５μｍ程度から１０μｍ程度の結晶を得ることができると思われる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平１１−３０７４５０号公報
【００１８】
【特許文献２】
特開昭５８−２０１３２６号公報
【００１９】
【特許文献３】
特表２０００−５０５２４１号公報
【００２０】
【非特許文献１】
原亜明人、佐々木信夫，「ガラス上のシリコンの核形成サイトと凝固方向制御−単結晶シリコンＳｉ−ＴＦＴ形成を目指して」，応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキスト，応用物理学会結晶工学分科会，平成１２年６月２０日，ｐ．１９−２５
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のいずれかの技術を用いた場合にも形成される結晶粒の大きさは、依然として十分なものではない。
【００２２】
したがって、本発明は、より大きな結晶粒を有する多結晶半導体薄膜が容易にかつ安定的に得られる半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を提供することを目的とし、特にスーパーラテラル成長法において、一回のレーザ光の照射で得られる結晶粒の大きさを大幅に大きくすることが可能な半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置は、基材上に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射することにより、基材の主表面と略平行方向に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長装置であって、第１照射手段と、第２照射手段とを備える。第１照射手段は、半導体薄膜に選択的に第１のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融させる手段である。第２照射手段は、基材に選択的に第１のレーザ光よりも半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の基材を加熱する手段である。このうち、第２照射手段は、第２のレーザ光を出射する光源と、第２のレーザ光が照射されて所望のアパーチャ像を成形する開口絞り板と、アパーチャ像を基材の主表面に結像する対物レンズとを有している。
【００２４】
このように、半導体薄膜を溶融させる第１照射手段に加え、溶融した半導体薄膜の固化を遅延させる第２照射手段を用いてスーパーラテラル成長を行うことにより、半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になる。このため、形成される結晶の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。また、開口絞り板を用いてアパーチャ像を成形することにより、基材に照射される第２のレーザ光の照射領域を適正化することが可能になる。このため、基材の照射領域全域をにわたって一様に第２のレーザ光を照射することが可能になり、基材の照射領域全域を一様に加熱することが可能になる。この結果、半導体薄膜中に形成される結晶粒を容易に大型化することが可能になる。
【００２５】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２照射手段は、開口絞り板の光源側に配置されかつ透過した第２のレーザ光が光軸と垂直な面において均一な放射照度分布となるように第２のレーザ光を調整する放射照度分布均一化手段をさらに有していることが好ましい。
【００２６】
このように、基材を加熱する第２照射手段に放射照度均一化手段を設けることにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００２７】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２のレーザ光が基材の主表面に斜入射されるように第２照射手段が構成されており、対物レンズは、斜入射される第２のレーザ光の光軸に略垂直に配置され、また開口絞り板は、アパーチャ像の像面が基材の主表面と実質的に重なるように、斜入射される第２のレーザ光の光軸に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
【００２８】
このように、第２のレーザ光が斜入射される場合に、アパーチャ像の像面と基材の主表面とが実質的に重なるように構成することにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００２９】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、基材の主表面に結像されるアパーチャ像が矩形となるように、開口絞り板に設けられた開口の形状が台形に調整されていることが好ましい。
【００３０】
このように、第２のレーザ光が斜入射される場合に、第２照射手段による照射領域が矩形となるように調整することにより、複数回のパルス照射を用いて持続的に結晶を成長させた場合にも基材を一様に加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００３１】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２のレーザ光が基材の主表面に斜入射されるように、第２照射手段が構成されており、対物レンズおよび開口絞り板は、基材の主表面と略平行に配置されていることが好ましい。
【００３２】
このように構成することにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となるため、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００３３】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置のうち、基材の主表面に対して第２のレーザ光が斜入射される半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２照射手段は、開口絞り板の光源側に配置されかつ透過した第２のレーザ光が光軸と垂直な面において均一な放射照度分布となるように第２のレーザ光を調整する放射照度分布均一化手段をさらに有していることが好ましい。
【００３４】
このように、第２のレーザ光が斜入射される場合にあっても、基材を加熱する第２照射手段に放射照度均一化手段を設けることにより、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００３５】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置のうち、基材の主表面に対して第２のレーザ光が斜入射される半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、第２照射手段は、開口絞り板と略平行に配置されかつ放射照度分布均一化手段から出射される第２のレーザ光を開口絞り板に対して斜入射させるように第２のレーザ光の照射方向を変更する照射方向変更手段をさらに有していることが好ましい。
【００３６】
このように構成することにより、開口絞り板が第２のレーザ光の光軸に対して傾斜して配置された場合にも、放射照度分布の均一化が図られるため、照射領域全域にわたって一様に基材を加熱することが可能となり、安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。なお、上記の照射方向変更手段を有する半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、照射方向変更手段がプリズムまたはレンズのいずれかであることが好ましい。
【００３７】
本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法は、基材上に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射することにより、基材の主表面と略平行方向に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長方法であって、以下の工程を備えている。
（ａ）半導体薄膜に選択的に第１のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融させる工程。
（ｂ）基材に選択的に第１のレーザ光よりも半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を開口絞り板を介して照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の基材に開口絞り板によって成形されたアパーチャ像を結像することにより、基材を加熱する工程。
【００３８】
このように、半導体薄膜を溶融させるための第１のレーザ光の照射工程に加え、溶融した半導体薄膜の固化を遅延させるための第２のレーザ光の照射工程をさらに具備することにより、半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になり、形成される結晶の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。また、開口絞り板を用いてアパーチャ像を成形することにより、基材に照射される第２のレーザ光の照射領域を適正化することが可能になる。このため、基材の照射領域全域をにわたって一様に第２のレーザ光を照射することが可能になり、基材の照射領域全域を一様に加熱することが可能になる。この結果、半導体薄膜中に形成される結晶粒を容易に大型化することが可能になる。
【００３９】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、第２のレーザ光の照射時間は、第１のレーザ光の照射時間よりも長く、かつ第２のレーザ光の照射期間は、第１のレーザ光の照射期間と同時に照射される期間を含んでいることが好ましい。
【００４０】
このように、照射期間を調整することにより、より安定的に大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
発明者は、レーザアニール法を用いて半導体薄膜を結晶化するに際して、スーパーラテラル成長法に注目する一方、半導体薄膜の結晶化領域に対応する領域の基材を一様に加熱することにより、半導体薄膜により大きな結晶粒が形成される点に着目し、本発明を完成させるに至った。
【００４２】
以下においては、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置の構造を示す模式図である。また、図２は、図１に示す半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例をより詳細に示す模式図である。
【００４３】
（半導体薄膜の結晶成長装置の全体構造）
まず、図１を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置の全体構造について説明する。図１に示すように、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置は、第１照射手段１００と、第２照射手段２００と、ステージ３００とを備えている。
【００４４】
ステージ３００上には、基材としてのガラス基板１０が載置される。このガラス基板１０の主表面上には、前工程において半導体薄膜２０が予め成膜されている。半導体薄膜２０としては、たとえば、非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜などが適用可能である。
【００４５】
（第１照射手段の構成）
第１照射手段１００は、レーザ発振器１０１と、可変減衰手段１０２と、ビーム整形手段１０３と、放射照度分布均一化手段１０４と、フィールドレンズ１０５と、マスク１０６と、対物レンズ１０７と、折返しミラー１０８とを主に備えている。
【００４６】
レーザ発振器１０１は、第１のレーザ光１１０を出射する。この第１のレーザ光１１０は、半導体薄膜２０を溶融させることが可能なパルス状のレーザ光である。第１のレーザ光１１０としては、たとえば、エキシマレーザ光やＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）レーザ光に代表される各種固体レーザ光などの紫外域の波長を有するレーザ光が利用される。
【００４７】
可変減衰手段１０２は、第１のレーザ光１１０のビーム強度を補正する手段である。ビーム整形手段１０３は、第１のレーザ光１１０のビーム形状を補正する手段である。また、放射照度分布均一化手段１０４は、第１のレーザ光１１０の光軸と垂直に交わる面における放射照度分布を均一にする手段である。この放射照度分布均一化手段１０４は、たとえばシリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを組み合わせることによって構成され、光軸と垂直に交わる面においてガウシアン型放射照度分布を有するレーザ光を一旦分割して再度重ね合わせることにより、放射照度分布の均一化を図る手段である。
【００４８】
フィールドレンズ１０５は、放射照度分布均一化手段１０４を透過した第１のレーザ光１１０をマスク１０６に照射するためのレンズである。マスク１０６は、その主面にビームを透過する複数のスリットを有しており、スリット以外の部分に照射されたレーザ光を遮光する手段である。対物レンズ１０７は、マスク１０６が有するスリットを透過したビームをマスク像として半導体薄膜２０上に結像する手段である。
【００４９】
なお、折返しミラー１０８は、第１のレーザ光１１０の照射方向を変更する手段であって、たとえばミラー以外にもレンズ等によって構成することも可能である。この折返しミラー１０８は、装置の光学設計や機械設計に応じて適切に配置すればよく、その設置箇所や設置数量は特に制限されるものではない。
【００５０】
（第２照射手段の構成）
第２照射手段２００は、光源としてのレーザ発振器２０１と、ビーム拡大手段２０２と、放射照度分布均一化手段２０４と、フィールドレンズ２０５と、開口絞り板２０６と、対物レンズ２０７とを主に備えている。
【００５１】
レーザ発振器２０１は、第２のレーザ光２１０を出射する。この第２のレーザ光２１０は、ガラス基板１０を加熱することが可能なパルス状のレーザ光である。第２のレーザ光２１０としては、たとえば、炭酸ガスレーザ光やＹＡＧレーザ光などが利用可能である。ただし、第１照射手段１００によって放射される第１のレーザ光１１０よりもガラス基板１０上に成膜された半導体薄膜２０を透過し易いレーザ光を採用する必要がある。
【００５２】
ビーム拡大手段２０２は、レーザ発振器２０１から出射された第２のレーザ光２１０を拡大し、平行光線とする手段である。このビーム拡大手段２０２としては、たとえばガリレオタイプのビーム拡大器が用いられる。
【００５３】
放射照度分布均一化手段２０４は、第２のレーザ光２１０の光軸と垂直に交わる面における放射照度分布を均一にする手段である。たとえば、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズを組み合わせて構成され、光軸と垂直に交わる面においてガウシアン型放射照度分布を有するレーザ光を一旦分割して再度重ね合わせることにより、放射照度分布の均一化を図る手段である。
【００５４】
フィールドレンズ２０５は、放射照度分布均一化手段２０４を透過した第２のレーザ光２１０を開口絞り板２０６に照射するレンズである。開口絞り板２０６はその主面に開口を有しており、照射された第２のレーザ光２１０の光量を絞るとともに所望のアパーチャ像を成形する手段である。対物レンズ２０７は、開口絞り板２０６によって絞られた第２のレーザ光２１０をアパーチャ像としてガラス基板１０上に結像する手段である。
【００５５】
なお、必要に応じて、第２のレーザ光２１０の照射方向を変更する手段として折返しミラーやレンズ、プリズム等を配置してもよい。これらの照射方向変更手段は、装置の光学設計や機械設計に応じて適切に配置すればよく、その設置箇所や設置数量は特に制限されるものではない。
【００５６】
（第２照射手段における各光学系の配置とレーザ光の光路との関係）
次に、図２を参照して、上述の第２照射手段２００における各光学系の配置と第２のレーザ光２１０の光路との関係について、より詳細に説明する。
【００５７】
図２に示すように、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置においては、第２照射手段２００から放射された第２のレーザ光２１０は、ガラス基板１０の主表面に斜入射されるように構成されている。この第２のレーザ光２１０の光軸上に、上述の各種光学系が配置される。本実施の形態においては、このうち開口絞り板２０６と対物レンズ２０７とが、第２のレーザ光２１０の光軸に対して略垂直に交わるように配置されている。
【００５８】
レーザ発振器２０１から出射された第２のレーザ光２１０は、ビーム拡大手段２０２によって第２のレーザ光２１０の光軸に垂直に交わる面において適当な形状に調整され、平行光線化されて放射照度分布均一化手段２０４に照射される。放射照度分布均一化手段２０４により、光軸と垂直に交わる面において放射照度分布が均一化された第２のレーザ光２１０は、フィールドレンズ２０５を介して開口絞り板２０６に照射される。開口絞り板２０６に設けられた開口を透過した第２のレーザ光２１０は、対物レンズ２０７によってガラス基板１０の主表面１１の所定領域に選択的に照射される。
【００５９】
この結果、開口絞り板２０６が配置された面が物体面２２０として作用することになり、この物体面２２０に位置する物体、すなわち開口絞り板２０６の像（アパーチャ像）が対物レンズ２０７によって像面２２２に結像されることになる。この像面２２２がガラス基板１０の主表面１１と光軸において交差するように各種光学系の位置を調節することにより、アパーチャ像がガラス基板１０の主表面１１に形成され、このアパーチャ像が形成された部分のガラス基板１０が加熱されることになる。
【００６０】
なお、第２のレーザ光２１０は、上述の通り、ガラス基板１０上に成膜された半導体薄膜２０を透過し易いレーザ光に調節されている。このため、第２のレーザ光２１０が半導体薄膜２０によって吸収されることはほとんどなく、効果的にガラス基板１０を加熱することが可能である。
【００６１】
（半導体薄膜の結晶成長方法）
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法について説明する。図３および図４は、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための図であり、図３は半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式平面図、図４は模式断面図である。
【００６２】
図３および図４に示すように、ガラス基板１０の主表面１１上には、前工程において予め半導体薄膜２０が成膜されている。本実施の形態においては、スーパーラテラル成長法を適用することを前提としているため、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２は、たとえば２μｍ程度から１０μｍ程度の微細な幅に調整されている。なお、結晶化予定領域２２の長さ方向には特に制限はないが、少なくとも上述の幅よりも大きく調整することが必要である。この半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２には、上述の第１照射手段１００を用いて第１のレーザ光１１０が照射される。
【００６３】
図４に示すように、第２照射手段２００によって第２のレーザ光２１０が照射されるガラス基板１０の照射領域１２は、上述の半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２に対応する領域を含むように調整されている。すなわち、図３に示すように、ガラス基板１０および半導体薄膜２０を平面的に見た場合に、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２は、ガラス基板１０の照射領域１２に重複するように調整されている。
【００６４】
なお、図３に示すように、第１照射手段１００によって照射される第１のレーザ光１１０は、半導体薄膜２０の主表面２１に略垂直に入射するように構成される。これに対し、第２照射手段２００によってガラス基板１０照射される第２のレーザ光２１０は、ガラス基板１０の主表面に斜入射するように構成される。
【００６５】
次に、半導体薄膜を結晶化する手順について説明する。本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法は、半導体薄膜２０に選択的に第１のレーザ光１１０を照射し、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２を溶融させる工程と、ガラス基板１０に選択的に第１のレーザ光１１０よりも半導体薄膜２０を透過し易い第２のレーザ光２１０を開口絞り板２０６を介して照射し、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２を含む領域に対応する位置のガラス基板１０に開口絞り板２０６によって成形されたアパーチャ像を結像することにより、ガラス基板１０を加熱する工程とを主に備えている。
【００６６】
具体的には、まず第２照射手段２００により、ガラス基板１０を加熱する。このとき、ガラス基板１０に生じる熱によって半導体薄膜２０が溶融しない程度に、第２照射手段２００による第２のレーザ光２１０の照射量を調整する。次に、第２照射手段２００によるガラス基板１０の加熱を継続したまま、第１照射手段１００によって半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２を加熱し溶融させる。半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２の溶融が完了した時点で第１照射手段１００による照射を停止する。この後も一定時間、第２照射手段２００によるガラス基板１０の加熱を継続する。以上により、半導体薄膜２０の結晶化が完了する。
【００６７】
このような手順で第１のレーザ光１１０および第２のレーザ光２１０を照射することにより、半導体薄膜にスーパーラテラル成長が生じる。スーパーラテラル成長法は、スリット状のパルスレーザ（第１のレーザ光）によって加熱された領域の半導体薄膜が溶融し、未溶融領域との境界から横方向、すなわちガラス基板の主表面と略平行方向に結晶が成長し、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶同士が衝突することによって結晶成長が終了する結晶成長方法である。このスーパーラテラル成長法においては、半導体薄膜の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固が行われる。
【００６８】
なお、第１照射手段１００による第１のレーザ光１１０の照射は、第２照射手段２００による第２のレーザ光２１０の照射が開始されたあとに開始されるが、少なくとも第２のレーザ光２１０の照射期間は、第１のレーザ光１１０の照射期間を含みかつより長い時間照射を行うように調整する必要がある。すなわち、第２のレーザ光２１０の照射時間は、第１のレーザ光１１０の照射時間よりも長く、かつ第２のレーザ光２１０の照射期間は、第１のレーザ光１１０の照射期間と同時に照射される期間を含むように調整する。これにより、半導体薄膜２０の結晶化予定領域が適切に長い間溶融状態を保つようになり、結晶化の進行が遅延するようになる。ただし、第２のレーザ光２１０を長時間にわたって照射し続けるとガラス基板１０の温度が上昇し過ぎるため、ガラス基板１０に損傷を与えるおそれがある。このため、第２のレーザ光２１０の照射時間は、ガラス基板１０に損傷を与えない程度に調整する必要がある。
【００６９】
（作用・効果）
上述の如くの半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を用いて半導体薄膜２０の結晶化を行うことにより、一回の照射で得られる結晶粒の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。これは、第２照射手段２００によってガラス基板１０が加熱されることにより、第１照射手段１００によって溶融された部分が凝固する際の冷却速度が遅延させられるためであり、溶融した半導体薄膜２０がゆっくりと凝固するためである。
【００７０】
ここで、本実施の形態においては、開口絞り板２０６を用いて第２のレーザ光２１０の照射領域を規定している。このため、ガラス基板１０に照射される第２のレーザ光２１０の照射領域１２を容易に適正化することが可能になる。この結果、ガラス基板１０の照射領域１２の全域にわたって一様に第２のレーザ光２１０を照射することが可能となり、ガラス基板１０の照射領域１２全域を一様に加熱することが可能になる。これにより、半導体薄膜２０中に形成される結晶粒を容易に大型化することが可能になる。
【００７１】
また、本実施の形態においては、第２のレーザ光２１０として第１のレーザ光１１０よりも半導体薄膜２０を透過し易いレーザ光を用いているため、第２のレーザ光２１０が半導体薄膜２０によって吸収されることが少なくなり、ガラス基板１０の半導体薄膜２０の界面付近を局所的に加熱することが可能になる。このため、効果的に溶融した部分の半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になる。
【００７２】
また、本実施の形態における第２照射手段２００は、上述の通り、放射照度分布均一化手段２０４を有している。通常レーザ発振器から出射されるレーザ光は、光軸に垂直に交わる面において、中央部の放射照度が高く、周縁部に移るに連れて放射照度が低くなるガウシアン型放射照度分布を有している。このため、何ら処理をしないレーザ光をそのまま用いてガラス基板を加熱した場合には、照射領域においてガラス基板が一様に加熱されず、周縁部分において加熱不足が生じることがある。
【００７３】
しかしながら、本実施の形態においては、放射照度分布均一化手段２０４を用いて第２のレーザ光２１０の放射照度分布を均一化しているため、照射領域１２全域にわたってほぼ同じ放射照度に保たれる。このため、照射領域１２の全域にわたって一様に加熱することができるようになり、安定した結晶化を行うことが可能となる。なお、本実施の形態においては、放射照度分布均一化手段２０４として、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズを組み合わせたものを使用したが、カレイドスコープ（万華鏡）の原理を用いた光学系などを採用することも可能である。
【００７４】
（実施例）
以下においては、本実施の形態に基づいた実施例について、図面を参照して説明する。
【００７５】
（実施例１）
本実施例においては、半導体薄膜として非晶質シリコン薄膜を採用し、第１のレーザ光として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を採用した。また第２のレーザ光としては、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を採用した。
【００７６】
図５は、本実施例において用いた第１照射手段のマスクのパターンを示す平面図である。図５に示すように、マスク１０６は、複数のスリット１０６ａを有する。スリット１０６ａは、マスク面上において、ピッチＰ、幅Ｄで配置されており、個々のスリット１０６ａの長さはＡで表わされる。このスリット１０６ａを透過したスリット状のパルスビームは、所定倍率で非晶質シリコン薄膜に照射される。
【００７７】
一方、第２照射手段によるガラス基板の照射領域は、マスク１０６によって半導体薄膜の主表面に結像されるマスク像すべての領域に対応する位置を含むように調整されている。
【００７８】
上述の結晶成長装置および結晶成長方法を用い、スリット状のパルスビームの幅を２μｍ程度から５０μｍ程度に調整し、放射照度５００ｍＪ／ｃｍ２のＸｅＣｌエキシマレーザ光を照射時間５０ｎｓで一回照射した。この場合に得られる結晶粒の結晶長が、最大で１０μｍ程度にまで達することが発明者によって確認された。この結晶長が最大で１０μｍ程度の結晶粒は、従来得られていた結晶長が１．２μｍ程度の結晶粒に比べ大幅に大型化していることになる。これは、一意に結晶化予定領域を含む領域に対応する位置のガラス基板を第２照射手段を用いて一様に加熱したことによるものであり、一回のパルス照射で得られる結晶粒の結晶長を大型化する場合に極めて有効な手段であることが分かる。
【００７９】
しかしながら、この結晶長が１０μｍ程度の結晶粒が形成された半導体薄膜においても、用途によっては、製作するトランジスタの大きさに比較すれば依然として結晶粒は小さく、このままトランジスタを製作することは実用的ではない場合もある。
【００８０】
そこで、さらに結晶長を長くするために、発明者は複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法を適用した。この複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法は、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射するものである。これにより、既に成長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ようになる。
【００８１】
図６は、複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法により、針状結晶粒が成長する様子を示した模式図である。スーパーラテラル成長は、上述の通り、パルスレーザを１回照射することで完了する（図１８参照）。しかしながら、図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、一旦、半導体薄膜にビームを照射して照射領域２３ａを溶融させた後、この部分を含むように僅かにずらしてパルスレーザを照射し、照射領域２３ｂを溶融させる。これにより、この部分で結晶がさらに成長するようになる。図６（ｂ）に示すように、次にまた少しずらした位置にビームを照射して照射領域２３ｃを形成する。さらに、僅かずつずらして照射領域２３ｄおよび２３ｅを形成することにより、結晶をさらに伸ばすことができる。すなわち、１回前の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順次パルスレーザを照射していくと、既に成長した結晶を引き継いでさらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長い結晶が得られるようになる。
【００８２】
上述の条件において、この複数回のレーザ照射を行うことにより、最大で５０μｍ程度の結晶長を有する針状結晶粒が形成可能であることが発明者によって確認された。この５０μｍ程度の結晶長を有する針状結晶粒は、従来得られていた結晶長が１０μｍ程度の針状結晶粒に比べて大幅に大型化していることになる。これは、一意に結晶化予定領域を含む領域に対応する位置のガラス基板を第２照射手段を用いて一様に加熱したことによるものであり、一回のパルス照射で得られる結晶粒の結晶長が大型化すること、および繰り返し行なうパルス照射によって引き継がれる結晶成長がより多い回数持続することによる。
【００８３】
このようにして長い針状結晶粒を形成すると、そこにデバイスを形成することが可能になる。図７は、その様子を示す模式図である。図７では、長く形成された針状結晶粒３０上にソース、ドレインおよびチャネルを有するトランジスタ４０を形成し、それを制御するゲートを配置した例を示す。ここでチャネルの中を流れるキャリアの向きと、針状結晶粒３０の成長した方向とを同じ向きにとることにより、キャリアの粒界による散乱が抑えられるため、高性能のトランジスタを得ることができる。すなわち、トランジスタの配置に、チャネル方向を一方向になるような制限を加えることによって、高性能なトランジスタ群を形成することが可能になる。
【００８４】
（実施例２）
本実施例においては、上述の実施例１と同様に、半導体薄膜として非晶質シリコン薄膜を採用し、第１のレーザ光として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を採用し、第２のレーザ光として波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を採用した。上述の実施例と異なる点は、第１照射手段１００のマスク１０６のパターンである。
【００８５】
図８は、本実施例において用いた第１照射手段のマスクのパターンを示す平面図である。図８に示すように、マスク１０６には、開口部１０６ｂ〜１０６ｅが設けられている。開口部１０６ｂ〜１０６ｅは、それらが半導体薄膜上に結像された時に概ねトランジスタのチャネル領域の大きさと位置に一致する形状に調節されている。
【００８６】
図８に示すマスク１０６を用いて半導体薄膜２０にレーザ照射を行った場合に半導体薄膜２０上に形成される結晶化パターンを図９に示す。上述の結晶成長装置および結晶成長方法を用い、開口部１０６ｂ〜１０６ｅを介して第１のレーザ光を一回のパルス照射で照射することにより、半導体薄膜２０の結晶化予定領域２２が溶融・固化し、固化する過程において結晶化が生じる。このとき、開口部１０６ｂ〜１０６ｅの周縁部から結晶化が生じるため、図９に示すように、開口部１０６ｂ〜１０６ｅの中心に向かってスーパーラテラル成長が生じる。このとき生じる結晶粒の大きさは最大で１０μｍ程度であり、トランジスタのチャネル領域の大きさと比べて、ほぼ同等の大きさである。
【００８７】
図１０は、図９に示す半導体薄膜上にトランジスタを形成した様子を示す平面図である。図１０に示すように、トランジスタ４０ｂ〜４０ｅのソースおよびドレインがチャネル領域４２ｂ〜４２ｅを挟んで配置され、チャネル領域４２ｂ〜４２ｅの上部にはゲート電極が配置される。このとき、チャネル領域４２ｂ〜４２ｅを流れるキャリアの向きに結晶化領域の結晶成長方向が一致するように配置することにより、キャリアが結晶粒界により散乱されることが少なくなるため、極めて移動度の高いトランジスタを得ることが可能になる。また、本実施例の如くのマスクを用いることにより、トランジスタの配置に制約がなくなるため、自由にトランジスタを配置できるようになる。
【００８８】
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置は、上述の実施の形態１とほぼ同様の構造を有しているが、第２照射手段の光学系の配置が上述の実施の形態１とは異なっており、これに伴い第２のレーザ光の光路にも相違が生じている。
【００８９】
上述のように、本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法では、第２照射手段によるガラス基板の加熱を第２のレーザ光が照射される照射領域中において一様に保つことが重要になる。しかしながら、上述の実施の形態１に示す構成の第２照射手段とした場合には、第２のレーザ光がガラス基板の主表面に対して斜入射されるように構成されている。このため、第２のレーザ光がガラス基板に対して大きく傾斜するように構成した場合には、アパーチャ像が良好に結像されない場合がある。
【００９０】
これは、対物レンズを透過した第２のレーザ光がガラス基板に到達する際に、対物レンズを透過した位置によってガラス基板に到達するまでに要する距離が異なるためである。このため、ガラス基板の主表面に形成されたアパーチャ像が焦点ずれを起こし、アパーチャ像がそれほどシャープに得られないという問題を引き起こす。アパーチャ像がシャープに結像されない場合には、アパーチャ像の輪郭部が単にぼけるばかりでなく、その照射強度分布が不均一になる場合が多い。これは、アパーチャ像のぼけが焦点面の前と後ろでは必ずしも対称ではないためである。この結果、照射領域内における一様加熱が困難になる場合がある。
【００９１】
そこで、本実施の形態においては、第２照射手段２００の各光学系の配置を図１１に示す如くの配置とした。すなわち、斜入射される第２のレーザ光２１０の光軸に略垂直となるように対物レンズ２０７を配置し、アパーチャ像の像面２２２とガラス基板１０の主表面１１とが実質的に重なるように、開口絞り板２０６を第２のレーザ光２１０に対して傾斜して配置している。
【００９２】
換言すれば、第２のレーザ光２１０の光軸に対して垂直に開口絞り板２０６を配置した状態から、対物レンズ２０７からより遠いガラス基板１０上の位置に位置する結像点１２ａ１に対応する開口絞り板２０６の開口の一端２０６ａ１を対物レンズ２０７により近い位置にくるように、かつ、対物レンズ２０７からより近いガラス基板１０上の位置に位置する結像点１２ａ２に対応する開口絞り板２０６の開口の他端２０６ａ２を対物レンズ２０７により遠い位置にくるように、開口絞り板２０６を傾斜させて配置する。つまり、開口絞り板２０６の開口の一端２０６ａ１がガラス基板１０上の点１２ａ１に、開口の他端２０６ａ２がガラス基板１０上の点１２ａ２にそれぞれ結像するように、開口絞り板２０６を傾斜させて配置する。
【００９３】
これにより、アパーチャ像の輪郭部がガラス基板１０上にシャープに結像されるようになる。この結果、照明強度分布均一化手段２０４によって照明強度が均一化された光線がそのままガラス基板１０上に結像されるため、照明強度分布の不均一が生じ難くなる。
【００９４】
このように、ガラス基板１０上に結像されるアパーチャ像の焦点ずれが補正されるため、シャープな輪郭のアパーチャ像が実現され、照射領域の周縁部においても一様に加熱することが可能になる。なお、開口絞り板２０６を光軸に対して傾斜させる角度は、対物レンズ２０７からガラス基板１０までの距離や対物レンズ２０７の焦点距離等によって、幾何光学的に決まる。
【００９５】
また、本実施の形態の如く、第２のレーザ光２１０をガラス基板１０の主表面に対して斜入射させ、かつ斜入射される第２のレーザ光２１０の光軸に対して対物レンズ２０７を略垂直に配置した場合には、対物レンズ２０７からのガラス基板１０に至るまでの距離が対物レンズ２０７の部分部分によって異なっているため、結像されるアパーチャ像の倍率が異なることになる。この結果、開口絞り板２０６の開口を矩形に調整した場合には、ガラス基板１０に形成されるアパーチャ像は台形となる。
【００９６】
そこで、図１２（ａ）に示すように、開口絞り板２０６に設ける開口２０６ａの形状を台形とすることが望ましい。この台形の開口２０６ａを有する開口絞り板２０６を用いてアパーチャ像をガラス基板１０上に結像させることにより、図１２（ｂ）に示す如くの矩形の照射領域１２が得られるようになる。
【００９７】
このように、照射領域を矩形に調整することにより、上述の実施例１において説明した複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法を採用した場合にも、各パルス照射による照射領域が矩形となるため、その境界部分の繋ぎ合わせが均一になる。この結果、安定して一様にガラス基板を加熱することが可能になり、大型の結晶粒を形成することが促進されるようになる。
【００９８】
（実施の形態３）
図１３は、本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置においては、上述の実施の形態２と同様に、対物レンズ２０７は斜入射される第２のレーザ光２１０の光軸に略垂直に配置され、開口絞り板２０６はアパーチャ像の像面がガラス基板１０の主表面１１と実質的に重なるように、第２のレーザ光２１０に対して傾斜して配置されている。
【００９９】
しかしながら、上述の実施の形態２の如くの光学系の配置とした場合には、開口絞り板２０６に対して、第２のレーザ光２１０が傾斜して入射する結果、開口絞り板２０６の開口部において照明強度の不均一が生じる。このため、ガラス基板１０の照射領域全面にわたって均一に加熱することが困難になる場合がある。
【０１００】
そこで、本実施の形態においては、第２照射手段２００の各光学系の配置を図１３に示す如くの配置とした。すなわち、放射照度分布均一化手段２０４によって放射照度分布が均一化された第２のレーザ光２１０が、開口絞り板２０６に対して斜入射されるように、開口絞り板２０６とフィールドレンズ２０５との間に照射方向変更手段としてのレンズ２０８を配置した。ここで、レンズ２０８は開口絞り板２０６と略平行に配置される。
【０１０１】
このように構成することにより、放射照度分布均一化手段２０４から開口絞り板２０６までの距離がどの部分においても同じとなるため、開口絞り板２０６を光軸に対して傾斜させた場合にも放射照度分布が不均一になることが回避されるようになる。この結果、ガラス基板１０の照射領域全域にわたって一様に加熱することが可能になる。
【０１０２】
図１４は、本実施の形態における第２照射手段の光学系の他の構成例を示す模式図である。本実施の形態においては、照射方向変更手段として、図１４に示す如くのプリズム２０９を使用することが可能である。上述のレンズ２０８に代えてプリズム２０９を使用することにより、第２照射手段２００の小型化が可能になり、装置設計が容易となる。
【０１０３】
（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。上述の実施の形態１から３と同様に、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置においても、第２のレーザ光２１０はガラス基板１０の主表面１１に対して斜入射されている。しかしながら、上述のいずれの実施の形態とも異なり、対物レンズ２０７および開口絞り板２０６がガラス基板１０の主表面１１と略平行に配置されている。
【０１０４】
このような構成とすることにより、開口絞り板２０６から対物レンズ２０７までの距離は、開口絞り板２０６に形成された開口部のどの位置においても等しくなるため、また対物レンズ２０７とガラス基板１０の間の距離もどの位置においても同じとなるため、アパーチャ像のガラス基板１０への結像倍率は照射領域全域にわたって一定となる。このため、開口絞り板２０６の開口部と相似形のアパーチャ像とすることが可能となり、開口を台形に調節する必要なく、ガラス基板１０の均一加熱が可能となる。
【０１０５】
（実施の形態５）
図１６は、本発明の実施の形態５における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。本実施の形態における半導体薄膜装置の結晶成長装置においては、上述の実施の形態４と同様に、第２のレーザ光２１０がガラス基板１０の主表面１１に対して斜入射されており、かつ対物レンズ２０７および開口絞り板２０６がガラス基板１０の主表面１１と略平行に配置されている。
【０１０６】
しかしながら、上述の実施の形態４の如くの光学系の配置とした場合には、開口絞り板２０６に対して、第２のレーザ光２１０が傾斜して入射する結果、開口絞り板２０６の開口部において照明強度の不均一が生じる。このため、ガラス基板１０の照射領域全面にわたって均一に加熱することが困難になる場合がある。
【０１０７】
そこで、本実施の形態においては、第２照射手段２００の各光学系の配置を図１６に示す如くの配置とした。すなわち、放射照度分布均一化手段２０４によって放射照度分布が均一化された第２のレーザ光２１０が、開口絞り板２０６に対して斜入射されるように、開口絞り板２０６とフィールドレンズ２０５との間に照射方向変更手段としてのレンズ２０８を配置した。ここで、レンズ２０８は開口絞り板２０６と略平行に配置される。
【０１０８】
このように構成することにより、放射照度分布均一化手段２０４から開口絞り板２０６までの距離がどの部分においても同じとなるため、開口絞り板２０６を光軸に対して傾斜させた場合にも放射照度分布が不均一になることが回避されるようになる。この結果、ガラス基板１０の照射領域全域にわたって一様に加熱することが可能になる。
【０１０９】
また、上記構成とすることにより、開口絞り板２０６から対物レンズ２０７までの距離は、開口絞り板２０６に形成された開口部のどの位置においても等しくなり、また対物レンズ２０７とガラス基板１０の間の距離もどの位置においても同じになるため、アパーチャ像のガラス基板１０への結像倍率は照射領域全域にわたって一定となる。このため、開口絞り板２０６の開口部と相似形のアパーチャ像とすることが可能となり、開口を台形に調節する必要なく、ガラス基板１０の均一加熱が可能となる。
【０１１０】
図１７は、本実施の形態における第２照射手段の光学系の他の構成例を示す模式図である。本実施の形態においては、照射方向変更手段として、図１６に示す如くのプリズム２０９を使用することが可能である。上述のレンズ２０８に代えてプリズム２０９を使用することにより、第２照射手段２００の小型化が可能になり、装置設計が容易となる。
【０１１１】
なお、上述の実施の形態１においては、第１照射手段のマスクの光透過部の形状を矩形のスリットとした場合を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、メッシュ形状、鋸歯形状、波形状などの種々の形状を採用することが可能である。
【０１１２】
また、上述の実施の形態においては、半導体薄膜の主表面に第２のレーザ光を斜入射させた場合を例示して説明を行なったが特にこれに限定されるものでは、垂直に入射するように構成しても構わない。
【０１１３】
また、上述の実施の形態においては、ガラス基板などの基材上に直接非晶質シリコン薄膜などの半導体薄膜を成膜した場合を例示して説明を行なったが、基材と半導体薄膜との間に、半導体薄膜の溶融の際の熱的な影響が基材に及ばないようにするための、また基材中の不純物が半導体薄膜に拡散しないようにするためのバッファ層を設けてもよい。薄膜としてシリコン薄膜を採用した場合には、バッファ層としてたとえば酸化シリコン膜などが適用可能である。
【０１１４】
このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【０１１５】
【発明の効果】
本発明によれば、一回のレーザ光の照射で得られる結晶粒の大きさを大幅に大きくすることが可能になる。また、複数回のレーザ照射を適用することにより、さらに大きな結晶長を有する多結晶半導体薄膜が容易にかつ安定的に得られるようになる。この結果、従来に比して結晶化に要する時間が大幅に削減されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置の全体構造を示す模式図である。
【図２】図１に示す半導体薄膜の結晶装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式断面図である。
【図５】本発明の実施例１におけるマスクの形状を示す平面図である。
【図６】複数回のパルス照射を用いたスーパーラテラル成長法により、針状結晶粒が成長する様子を示す模式図である。
【図７】図６に示す方法を用いて形成した半導体薄膜にトランジスタを形成した様子を示す模式図である。
【図８】本発明の実施例２におけるマスクの形状を示す平面図である。
【図９】本発明の実施例２において半導体薄膜が結晶化された後の状態を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施例２において、トランジスタが形成された後の状態を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置の開口絞り板の形状とアパーチャ像の形状とを示す模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の他の構成例を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態５における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の構成例を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態５における半導体薄膜の結晶成長装置の第２照射手段の他の構成例を示す模式図である。
【図１８】従来のスーパーラテラル成長法において、１回の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。
【符号の説明】
１０ ガラス基板、１１ （ガラス基板の）主表面、１２ （第２のレーザ光による）照射領域、１２ａ１，１２ａ２ （結像）点、２０ 半導体薄膜、２１（半導体薄膜の）主表面、２２ 結晶化予定領域、２３ａ〜２３ｅ （第１のレーザ光による）照射領域、３０ 針状結晶粒、４０，４０ｂ〜４０ｅ トランジスタ、４２ｂ〜４２ｅ チャネル領域、１００ 第１照射手段、１０１ レーザ発振器、１０２ 可変減衰手段、１０３ ビーム整形手段、１０４ 放射照度分布均一化手段、１０５ フィールドレンズ、１０６ マスク、１０６ａ スリット、１０６ｂ〜１０６ｄ 開口部、１０７ 対物レンズ、１０８ 折返しミラー、１１０ 第１のレーザ光、２００ 第２照射手段、２０１ レーザ発振器、２０２ ビーム拡大手段、２０４ 放射照度分布均一化手段、２０５ フィールドレンズ、２０６ 開口絞り板、２０６ａ 開口、２０６ａ１ 一端、２０６ａ２ 他端、２０７ 対物レンズ、２０８ レンズ、２０９ プリズム、２１０ 第２のレーザ光、２２０ 物体面、２２２ 像面、３００ ステージ。
Claims (11)
- 基材上に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射することにより、前記基材の主表面と略平行方向に前記半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長装置であって、
前記半導体薄膜に選択的に第１のレーザ光を照射し、前記半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融させる第１照射手段と、
前記基材に選択的に前記第１のレーザ光よりも前記半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を照射し、前記半導体薄膜の前記結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の前記基材を加熱する第２照射手段とを備え、
前記第２照射手段は、前記第２のレーザ光を出射する光源と、前記第２のレーザ光が照射されて所望のアパーチャ像を成形する開口絞り板と、前記アパーチャ像を前記基材の主表面に結像する対物レンズとを有する、半導体薄膜の結晶成長装置。 - 前記第２照射手段は、前記開口絞り板の前記光源側に配置され、かつ透過した前記第２のレーザ光が光軸と垂直な面において均一な放射照度分布となるように前記第２のレーザ光を調整する放射照度分布均一化手段をさらに有する、請求項１に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
- 前記第２のレーザ光が前記基材の主表面に斜入射されるように、前記第２照射手段が構成されており、
前記対物レンズは、前記斜入射される第２のレーザ光の光軸に略垂直に配置され、
前記開口絞り板は、前記アパーチャ像の像面が前記基材の主表面と実質的に重なるように、前記斜入射される第２のレーザ光の光軸に対して傾斜して配置されている、請求項１に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。 - 前記基材の主表面に結像される前記アパーチャ像が矩形となるように、前記開口絞り板に設けられた開口の形状が台形に調整されている、請求項３に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
- 前記第２のレーザ光が前記基材の主表面に斜入射されるように、前記第２照射手段が構成されており、
前記対物レンズおよび前記開口絞り板は、前記基材の主表面と略平行に配置されている、請求項１に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。 - 前記第２照射手段は、前記開口絞り板の前記光源側に配置され、かつ透過した前記第２のレーザ光が光軸と垂直な面において均一な放射照度分布となるように前記第２のレーザ光を調整する放射照度分布均一化手段をさらに有する、請求項３から５のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
- 前記第２照射手段は、前記開口絞り板と略平行に配置され、かつ前記放射照度分布均一化手段から出射される前記第２のレーザ光を前記開口絞り板に対して斜入射させるように前記第２のレーザ光の照射方向を変更する照射方向変更手段をさらに有する、請求項６に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
- 前記照射方向変更手段は、プリズムである、請求項７に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
- 前記照射方向変更手段は、レンズである、請求項７に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
- 基材上に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射することにより、前記基材の主表面と略平行方向に前記半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長方法であって、
前記半導体薄膜に選択的に第１のレーザ光を照射し、前記半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融させる工程と、
前記基材に選択的に前記第１のレーザ光よりも前記半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を開口絞り板を介して照射し、前記半導体薄膜の前記結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の前記基材に前記開口絞り板によって成形されたアパーチャ像を結像することにより、前記基材を加熱する工程とを備える、半導体薄膜の結晶成長方法。 - 前記第２のレーザ光の照射時間は、前記第１のレーザ光の照射時間よりも長く、かつ前記第２のレーザ光の照射期間は、前記第１のレーザ光の照射期間と同時に照射される期間を含む、請求項１０に記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
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