JP2005101333A - 半導体膜のレーザアニーリング方法とそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス基板上に形成した半導体膜、特に、シリコン膜の非晶質膜に、シリコン膜に部分透光性を有するレーザビームを照射して結晶化する方法と装置において、ガラス基板を透過してその裏面で反射したレーザビームに起因して半導体結晶膜に生じる結晶粒径分布のばらつきをできるだけ抑制するための装置を提供しようとするものである。
【解決手段】 レーザ光学系によりレーザ光源からのレーザビームを、その断面形状が細長矩形状に成形した照射ビームを半導体膜上に照射しながら、該照射ビームをその長手方向に対しほぼ垂直な方向に走査させ、且つ、半導体膜への照射ビームの照射光軸をガラス基板の法線方向に対して走査による進行方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角を設けて、照射ビームの一部が半導体膜を透過してガラス基板の裏面で反射して半導体膜へ照射する反射ビームを、半導体膜での上記照射ビームから実質的に離間させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、基板上に形成した半導体膜をレーザアニーリングして結晶化ないし結晶成長させる方法とそれに用いる装置に関する。

大面積の半導体基板を含む半導体装置を構成するものには、例えば、液晶ディスプレー装置の液晶駆動装置や、太陽電池などの光電変換素子がある。これらに用いる半導体基板は、基板上に薄膜製造法（例えば低圧ＣＶＤ、スパッタ法）により形成した半導体膜であり、非晶質であるので、通常は、多結晶化される。非晶質膜をそのまま使用したのでは、その結晶膜に比較して、電子移動が小さいなどの電気的特性が劣る。非晶質膜を結晶化させるには、熱処理が実施されるが、この際、薄膜であるので、基板全体を加熱するより、薄膜表面を局所的に加熱しながら、表面膜の局部加熱領域を薄膜全面に走査する方法が採用されており、特に、薄膜にレーザ照射を行なう方法が利用されている。

特許文献１には、ガラス基板上に半導体の薄膜を成膜し、レーザ光源からのレーザビームについて、そのビーム断面を含む面の一方向にのみシリンドリカルレンズなどにより光強度分布の均一化をして、次いで、集光レンズにより薄膜上に照射して、その照射ビームを薄膜の全面にわたって走査して加熱する方法を開示している。多結晶化は、蒸着された非晶質のシリコン膜上に細長のレーザビームを照射してその長手方向に対して直角方向に移動させで、局部的に非晶質膜を膜上のまま溶融させ、レーザビームの通過した後の冷却過程で、溶融膜を走査方向に凝固させて、シリコン膜を大きく結晶化するものであった。

多結晶化した半導体薄膜においては、結晶粒界が結晶を移動する電子の障害になり、結晶粒界の少ない巨大結晶にする方が電子移動を大きくでき、その上に形成されるトランジスタ等の半導体素子の特性を改善できる。

特開２００１−７０４５号公報

シリコン膜の多結晶化のためのレーザ光源は、紫外光のエキシマレーザより、可視光、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの１次高調波（基本波の２倍周波数光）が結晶粒の大形化に優れていることは判っているが、このＮｄ：ＹＡＧ高調波レーザは、可視光で、シリコン膜の透過率が相対的に高く、しかもその厚さ１μｍ以下であるので、シリコン膜に厚さ方向に渡って均一に吸収されるのであるが、照射ビームの一部は、吸収されずにシリコン膜を透過する。この場合、シリコン薄膜を透過したレーザビームは、図１２に示すように、裏側のガラス基板７の裏面７１に反射されて、この反射ビーム２４は、照射中のシリコン膜５に戻り、このとき、入射した照射ビーム２１とこの反射ビーム２４とが干渉して、薄膜５内で照射エネルギーに粗密の平面的分布を生じる。

この密度分布の干渉縞のピッチは、ガラス基板の表裏の平行度に依存して、平行度が低いほど、即ち、ガラス板の表裏面の照射角が大きいほど、縞ピッチは狭くなり、縞の光強度密度の低い筋の部分ではエネルギー密度が小さく、その結果、溶融不能ないし不十分となり、結晶化できないか又は結晶粒の大型化が部分的に不十分になることがあった。

そこで、多結晶シリコン膜の結晶粒径を均一に大形化するには、薄膜上の時間的な温度分布がどの位置においても同じ推移を取るように制御することが重要で、そのためには、シリコン皮膜上での照射ビーム強度がどの位置においても一様あることが要求される。照射エネルギー密度が時間的に又は空間的に変化すると、１回の走査で加熱されるシリコン膜の面積ないし温度分布が変化して、生成すべき結晶の大きさが制限を受ける。極端な場合には、照射ビーム強度の低い領域では、シリコン膜の溶融ないし十分な高温加熱が起こらず、逆に、ビーム強度の高い部分では、溶融温度が高くなりすぎて、アブレーションを起こしやすく、膜が破壊される惧れがある。

このような理由で、基板上の位置によって結晶粒径の大きさが変わると、電子の移動度が、シリコン膜の位置によってばらつきを生じ、シリコン膜上に形成した各トランジスタの性質も、基板上のそのトランジスタの位置によって変動を受ける。

本発明は、以上の問題に鑑み、上記の半導体膜に照射して、ガラス基板で反射したレーザビームに起因して半導体結晶膜に生じる結晶粒径分布のばらつきをできるだけ抑制して、結晶膜面域における電気的性質を均一化する方法を提供しようとするものである。

本発明は、また、上記の如くガラス基板で反射したレーザビームに起因して半導体結晶膜に生じる結晶粒径分布のばらつきをできるだけ抑制するための装置を提供しようとするものである。

本発明のレーザアニーリング装置は、レーザ光学系によりレーザ光源からのレーザビームを断面形状を細長矩形状に成形した照射ビームにして半導体膜上に照射しながら、照射ビームの長手方向に対しほぼ垂直な方向に走査させ、且つ、半導体膜への照射ビームの照射光軸をガラス基板の法線方向に対して走査による進行方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角を設けるのである。照射ビームに照射角を設定することにより、照射ビームの一部が半導体膜を透過してガラス基板の裏面で反射して半導体膜へ照射する反射ビームを、半導体膜上で照射ビームから実質的に離間させ、これにより、照射面である半導体膜上の照射ビームとガラス基板からの反射ビームとの干渉を阻止して、半導体膜上で走査方向にわたって均一な照射ビーム強度分布を確保する。上記照射角は、半導体膜上の照射ビームの光軸と反射ビームの光軸との距離が、照射ビームの半導体膜上での強度分布の１／ｅ^２半幅と反射ビームの半導体膜での強度分布の１／ｅ^２半幅との和と照射ビームの空間的可干渉距離との差より大きくなるように、設定する。

本発明のレーザアニーリング装置は、レーザ光学系が、レーザ光源からのレーザビームを、断面形状を細長矩形状に成形した照射ビームにして半導体膜上に照射する強度分布成形手段及びビーム形状成形手段を含んで、該装置が、半導体膜への照射ビームの照射光軸をガラス基板の法線方向に対して走査方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角を設けるのである。照射角の設定は、照射ビームの半導体膜を透過してガラス基板裏面で反射した反射ビームを半導体膜での照射ビーム域から実質的に離間させるもので、これにより、照射面である半導体膜上の照射ビームとガラス基板からの反射光との干渉を阻止して、半導体膜上で走査方向にわたって均一な照射ビーム強度分布を確保する。上記照射角は、半導体膜上の照射ビームの光軸と反射ビームの光軸との距離が、照射ビームの半導体膜上での強度分布の１／ｅ^２半幅と反射ビームの半導体膜での強度分布の１／ｅ^２半幅との和と照射ビームの空間的可干渉距離との差より大きくなるように、設定する。

本発明のレーザアニーリング方法及びその装置は、いずれも、半導体膜上の照射ビームとガラス基板からの反射光の干渉を阻止して、均一な照射ビーム強度分布を確保するので、ガラス基板上に蒸着されたシリコンの非晶質膜や、又は、細かな結晶粒分布を有する多結晶膜をレーザアニール処理するがその際に、照射方向を傾けるだけの簡単な方法ないし装置を利用することによって、均一で大きな結晶粒から成る多結晶半導体膜を比較的簡単に形成することができ。これは、また、結晶粒界などの格子欠陥の分布を少なくして、半導体中の電子やホールの移動度を高めることができ、半導体膜上に形成する多数のトランジスタにおいても、基板の全面域に渡って均一な性能を保障することができる利点がある。

実施の形態１．
本発明のレーザアニーリング方法を適用するガラス基板は、半導体膜、特に、半導体膜を担持する支持体であり、半導体膜はその面域に多数のトランジスタを形成して半導体装置とするのに利用され、且つ、基板を透明体にして光学系の透光性を確保している。そのような半導体装置は、例えば、液晶ディスプレー装置の液晶を制御装置として利用され、液晶ディスプレーに一体に取着されて配置される。

本発明は、半導体膜に照射されるレーザ光が半導体に対して部分透光性を有するレーザアニーリング方法とその装置に広く適用できるが、以下の説明では、半導体膜として、シリコン膜を挙げ、レーザ光には、可視光レーザの例を示すものとする。

ガラス基板は、上述の如く、上面に半導体膜としてシリコン膜を形成でき且つ透明なガラス板から選ばれ、特に限定されないが、用途に応じて広幅の面域を有し、その厚さも限定されないが、例示すれば、上記のような液晶ディスプレー装置制御用の例では、厚さ１ｍｍ以下で、例えば、０．９ｍｍ〜０．３ｍｍ程度のものが利用される。

ここに使用されるシリコン膜は、上記ガラス基板上に低圧ＣＶＤ法やスパッタ法などの薄膜製造法により成形された非晶質膜がある。また、処理すべきシリコン膜には、多結晶化されてはいるが、結集粒が微小であるようなシリコン膜を含む。このような微細多結晶膜は、蒸着により形成した非晶質膜を基板ごと全体をアニーリングして多結晶化したものを含む。シリコン膜は、その上に形成されるトランジスタ回路などの半導体基板を成すものである。シリコン膜の厚さは、その用途により異なるが、例示すれば、液晶ディスプレー表示用の制御装置の場合には、厚さ１μｍ以下、例えば、１００ｎｍ以下、あるいは５０ｎｍ〜７０ｎｍ程度の薄膜が好適に利用される。

本発明のレーザアニーリング法は、このようなシリコン膜を有するガラス基板に対して、シリコン膜上にレーザ光学系からの放射した可視光レーザビームを走査しながら照射して、シリコン膜を加熱して結晶化させる。この際、レーザ光学系によりレーザ光源からのレーザビームが、断面形状を細長矩形状に成形した照射ビームにされて、シリコン膜上に照射し、同時に、照射ビームの長手方向に対しほぼ直角な方向に走査させる。

この走査の過程で、シリコン膜への照射ビームの照射光軸をガラス基板の法線方向に対して走査方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角を設けて、照射ビームのシリコン膜を透過してガラス基板で反射した反射光の光路をシリコン膜上での照射ビームないしその照射部位から実質的に離間させる。

半導体膜がシリコン膜であるときは、３３０ｎｍ〜８００ｎｍの波長光が、シリコンに対するエネルギー吸収特性の点で、好ましく、レーザ光は、シリコン膜の厚さ方向に安定して比較的効率よく吸収され、温度制御が容易となる利点がある。このような波長域のレーザ源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）の１次高調波（２倍周波数光、以下同）５３２ｎｍと２次高調波（３倍周波数光、以下同）３５５ｎｍ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（波長１．０５μｍ）の１次高調波５２４ｎｍと２次高調波３４９ｎｍ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ（波長１．０３μｍ）の１次高調波５１５ｎｍと２次高調波３４４ｎｍを利用することができる。他のレーザ源には、Ｔｉ：サファイア・レーザの基本波７９２ｎｍとその高調波３９６ｎｍが利用できる。

レーザ源に上記のように固体レーザを用いれば、光源装置をコンパクトにすることができて、しかも長時間安定して動作させることができる利点がある。

実施の形態２．
図１は、本発明のレーザアニーリング方法及び装置において、照射レーザ２１とガラス基板上シリコン膜５との関係を示すが、シリコン膜に対する照射ビーム２１の照射光軸６０をシリコン膜表面の法線５０に対して適当な角度θだけ傾斜させており、照射ビーム２１が、シリコン膜に照射され、その照射部位２２を局部的に加熱する。照射ビーム２１の一部は、シリコン膜の照射部位２２を透過してガラス基板７に入り、ガラス中の透過ビーム２３は、その一部が、ガラス基板７の裏面７１で反射して、基板表面７０側に向い、この反射ビーム２４は、シリコン膜５に入射する。この際、反射ビームのシリコン膜への入射位置は、上記入射角度θを適当に設定することにより、上記の照射部位２２を外すことができ、反射ビーム２４が、照射ビーム２１と干渉することが防止できる。

照射部位は、シリコン膜の表面上を相対的に移動するのであるが、ガラス基板７の裏面７１からの反射ビーム２４のシリコン膜上の位置は、照射ビームの照射部位２２より先側であってもよく、また反対に、後側に向けてもよい。

本発明においては、上記の照射角は、シリコン膜上の照射ビームの光軸と反射ビームの光軸との距離が、照射ビームのシリコン膜上での強度分布の１／ｅ^２半幅（但し、ｅは自然数）と反射ビームのシリコン膜での強度分布の１／ｅ^２半幅との和と照射ビームの空間的可干渉距離との差より大きくなるように、設定される。

図１を参照しながら、照射ビーム２１が、照射部位２２において反射ビーム２４との干渉を防止させるため、照射ビーム２１の光学軸６０のシリコン膜５の法線５０に対する入射角θの最小値θmin は、以下のようにして与えられる。

照射面における強度分布のプロフイルが線状（即ち、ｘ方向に非常に狭く、ｙ方向に長い細長矩形状）で、ｘ方向（狭幅方向）の強度分布は、概して、ガウス分布をとると仮定する。

先ず、光学系により照射ビームのシリコン膜上の照射領域で照射ビームは焦点を結ぶとして、その照射ビームのｘ方向の半幅ｗ_ｏは、１／ｅ^２半幅（照射面上で、ピークエネルギー強度の１／ｅ^２倍の強度になる幅の半分を言う）で表して、照射ビームのＭ^２、開口数Ｎａ、及び、ビーム波長λによって、次式
ｗ_ｏ＝Ｍ^２λ／（２πＮａ） ・・・・（１）
で与えられる。

Ｍ^２は、レーザ発振器から放射するビームの集光性をあらわす指標である。シングルモードのビームでは、Ｍ^２＝１で、そのシングルモードビームが最小に集光したビーム幅に対して、あるＭ^２のビームの最小集光ビーム幅は、Ｍ^２倍になることを意味している。

他方、照射部位を通過した照射ビームの一部はガラス基板を透過してその一部が裏面に反射されて、この反射ビームは、表面のシリコン膜を照射し、そのときの、シリコン膜状での反射ビームのビーム幅ｗ_ｚは、１／ｅ^２半幅で、
ｗ_ｚ＝ｗ_ｏ［１＋｛Ｍ^２λｚ／（πｗ_ｏ ^２）｝^２］^１／２ ・・・・（２）
により表される。

但し、式中、ｚは、反射ビームがガラス基板内を通過する光路長を表し、照射ビームの照射角θと基板ガラスの厚さｔおよびその屈折率ｎ_１との間に、以下の関係がある。
ｚ＝（１／ｎ_１）（２ｔ／ｃｏｓθ） ・・・・（３）

照射面であるシリコン膜上で照射ビームと反射ビームとが実質的に干渉しないためには、両方のビームの重なりを、レーザ光の空間コヒーレンス長さで決まる空間的な可干渉距離より小さくする。換言すれば、両方のビーム幅は、重なりが空間的な可干渉距離より小さくなるように、大きい距離に離す必要がある。同一光源から分岐された二つのビームが干渉する可干渉距離Ｘは、ビームの１／ｅ^２全幅を１としたとき、概ね、そのレーザ光源のＭ^２の逆数で決まる。即ち、
Ｘ＝１／Ｍ^２ ・・・・（４）

例えば、ある光源からのレーザビームがＭ^２＝１０であると、空間的な可干渉距離Ｘは０．１となり、従って、二つのビームを重ね合わせても干渉しないビーム幅の重なりは、１／ｅ^２全幅の１０％となる。例えば、照射ビームの１／ｅ^２全幅が５０μｍであるとき、Ｘ＝０．１として、シリコン基板上で照射ビームと反射ビームの重なりを５μｍとしても、干渉は起こらない。

上記の照射ビーム幅Ｗ_ｏと反射ビーム幅Ｗ_ｚは１／ｅ^２半幅であるので、照射ビームと反射ビームとが干渉しない最小距離Ｄminは、上記可干渉距離Ｘを参照して、照射ビームの光軸と反射ビームの光軸との距離として、次式で与えられる。
Ｄmin＝ （Ｗ_ｏ＋Ｗ_ｚ）−２Ｗ_ｏＸ ・・・・（５）

Ｄminを達成するための最小照射角θminは、図１により、幾何光学的にも求めることができる。即ち、
θmin＝sin^−１［ｎ_１sin｛tan^−１（Ｄmin／２ｔ）｝］ ・・・（６）

最小照射角θminは、照射ビームの性質として、Ｍ^２、開口数Ｎａ、レーザ波長λ、ガラス基板の性質として、ガラス基板の屈折率ｎ_１、ガラス基板の厚さｔを用いて、上記関係式から、求めることができる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）には、ガラス厚さｔ＝０．７ｍｍ、０．５ｍｍ及び０．３ｍｍについて、開口数Ｎａをパラメータにして（但し、Ｎａ＝０．０５〜０．２）、ｎ_１＝１．５とし、Ｍ^２の関数として（但し、レーザアニーリングに利用されるレーザ光源について、Ｍ^２＝１０〜２０）、入射角、即ち、最小の照射角θminの計算結果を図示している。ここでは、干渉しない条件として、重ね合わせの幅に２Ｘを用いて、式（５）中のＸを、２Ｘに置き換えている。

上記の開口数Ｎａと、Ｍ^２とガラス基板の厚さｔの範囲では、照射角θminは、２°から５°の範囲にあり、Ｎａが小さいとき（Ｎａ＝０．０５）は、Ｍ^２にあまり依存せず、厚さｔが小さくなるほど照射角θminは大きくなる。他方、Ｎａが大きいとき（Ｎａ＝０．１０）、基板厚さにあまり依存せず、Ｎａが大きくなるほど、また、Ｍ^２が低くなるほど、照射角θminは大きくなる。

以上の結果から、本発明においては、干渉を防止するためには、照射角θは、上記の条件（レーザ光源のＭ^２＝１０〜２０、開口数Ｎａ＝０．０５〜０．２、ガラス厚さｔ＝０．３〜０．７）の下では、上記最小照射角θmin ＝２°以上、好ましくは、５°以上に設定する。

照射角θの最大値については、照射面の法線に対して照射ビームの照射角が大きくなるほど、シリコン膜上の照射ビーム幅が広がるので、入射エネルギーが分散してエネルギー密度が低下する。照射エネルギー密度の低下は、照射部位における昇温速度と最高到達温度を低下させる。傾斜照射のエネルギー密度Ｐｓは、垂直照射のエネルギー密度Ｐｏに対して、
Ｐｓ＝Ｐｏ・cosθ
の関係がある。
照射角θの上限は、照射ビームの照射部位におけるエネルギー密度が垂直照射の場合のエネルギー密度の５０％以下とする角度が好ましく、この場合の照射角θは、６０°以下である。好ましくは、照射ビームの照射部位におけるエネルギー密度が７１％以上であり、照射角θの上限は４５°とすることができる。さらに好ましくは、照射角の上限は、照射ビームの照射部位におけるエネルギー密度が垂直照射の場合のエネルギー密度の８０％である照射角より小さくなるように、設定され、この上限の角度は、２７°とする。

従って、照射角θは、上記の条件（レーザ光源のＭ^２＝１０〜２０、開口数Ｎａ＝０．０５〜０．２、ガラス厚さｔ＝０．３〜０．７ｍｍ）の下では、２〜６０°の範囲が好ましく、さらに好ましくは、５〜２７°の範囲とする。

実施の形態３．
レーザアニーリングの方法と装置は、レーザ光学系の光軸を、ガラス基板を支持するステージに対して相対的に傾斜させて、該照射角を設定することを含む。

図３は、この実施形態に係るレーザアニーリング装置の一例を示すが、この例の概要は、シリコン膜を表面に形成したガラス基板を支持するためのステージ装置１０と、ステージ装置をｘ−ｙ二次元走査する走査手段（不図示）と、ステージ装置１０の上方に配置したレーザ光学系と、から構成されている。レーザ光学系は、レーザ光源１として固体レーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザビーム２の強度分布をレーザビーム２の断面内一方向（この図では、ｙ 方向）に均一化する強度分布均一化手段３０と、強度分布均一化手段３０によりｙ方向に均一化したビームをｘ方向に収束して、ステージ装置１０の上面のシリコン膜５に照射するビーム形状調整手段４０とから構成され、照射ビーム２１は、シリコン膜上でｙ方向に長くｘ方向に極めて狭幅の線に結像するようにされている。走査手段（不図示）は、照射ビームをｘ方向に移動させて、照射ビームの線状照射部位の長さを幅とする帯域に掃引させて、その帯域を溶融し、通過後に結晶化させるものである。

この実施形態は、上記光学系を構成するレーザ光源１と強度分布均一化手段３０とビーム形状調整手段４０との光軸６０をステージ装置に配向して一直線に配列し、上記ステージ装置１０の上面１１の法線５０に対して、上記照射角θだけ傾斜させている。こうして、照射ビーム２１の照射光軸６０をガラス基板７の法線方向５０に対して走査方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角θを設けることができる。

このアニーリング装置は、図３には、光学系を略水平にして、上記の照射角を保持しながら、ステージ上面を垂直に成るように立てて設置することを示している。また、ステージ装置１０の上面を水平に保持して、光学系の光軸６０を上記照射角θを設定して、光学系を垂直近くして立設してもよい。

実施の形態４．
本発明の方法と装置は、レーザ光学系の光路に反射鏡を介装して、上記照射光軸を上記照射角に設定することもできる。図４は、この実施形態に係るレーザアニーリング装置の別の例を示すが、この例の概要は、下方に、シリコン膜５を表面に形成したガラス基板７を上面１１に支持するためのステージ装置１０と、ステージ装置１０の上方に配置したレーザ光学系と、から成っている。この例は、ステージ装置には、ステージ１０をｘ−ｙ二次元走査する走査手段（不図示）を含んでいる。レーザ光学系は、上記と同様に、レーザ光源１として固体レーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザビーム２の強度分布をレーザビーム２の断面内一方向（この図では、ｙ 方向）に均一化する強度分布均一化手段３０と、強度分布均一化手段３０によりｙ方向に均一化したビームをｘ方向に収束して、ステージ装置１０の上面のガラス基板上のシリコン膜５に照射するビーム形状調整手段４０とから構成されている。

この実施形態は、強度分布均一化手段３０と、ビーム形状調整手段４０との間に、反射鏡３１を介装して、強度分布均一化手段３０によりｙ方向に均一化したビーム２９が、反射鏡３１により反射されて、ビーム形状調整手段４０に入射されて、略水平に配置した強度分布均一化手段３０の光軸を、立設したビーム形状調整手段４０の下方に向ける光軸に変更して、ビーム形状調整手段４０からの照射ビーム２１をステージ装置１０上のガラス基板７上面に配向している。

この例においても、照射ビーム２１は、ビーム形状調整手段４０によりシリコン膜上でｙ方向に長くｘ方向に極めて狭幅の線に結像するようにされている。走査手段（不図示）は、照射ビームをｘ方向に移動させて、照射ビームの線状照射部位の長さを幅とする帯域に掃引させて、その帯域を溶融し、通過後に結晶化させるものである。

この実施形態は、上記光学系を構成するレーザ光源と強度分布均一化手段３０に対して、反射鏡３１を介して、ビーム形状調整手段４０の光軸６０をステージ装置１０に配向し、ビーム形状調整手段４０の角度を変更して上記ステージ装置の上面の法線に対して、上記入射角θだけ傾斜させている。こうして、照射ビームの照射光軸６０をガラス基板７の法線方向５０に対して走査方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角θを設けることができる。

実施の形態５．
また。別の実施形態は、上記照射角が、ガラス基板の法線方向に対して走査方向に傾斜させて、ガラス基板からの反射ビームを照射部位２２より後方に配向することができる。

上記の照射角θは、ガラス基板７ないしシリコン膜５の法線５０に対して、照射ビーム２１の走査の進行方向９２の前方にも後方にも向けることができるのであるが、この例は、図５に示すように、照射角θを、この進行方向９２の前方に照射ビームを傾斜して設ける。ガラス基板７内での反射ビーム２４は、照射ビーム２１とは干渉を生じることなく、シリコン膜５上を照射部位２２が通過して多結晶化され粗粒に成長した粗粒結晶域５４を照射している。反射ビーム２４により加熱されても粗粒結晶域５４は特に影響を及ぼすことはない。

実施の形態６．
照射角θは、シリコン膜に対して照射ビームの進行方向９２の反対側に照射ビームを傾けて配置することもできる。進行方向９２の後方に（反対方向に）傾斜して設けると、図６に示すように、ガラス基板内での反射ビーム２４は、照射ビーム２１とは干渉を生じることなく、しかも、未照射のシリコン膜である非晶質域５２を照射して、その領域を予熱することができる。

特に、反射ビームのエネルギーを適切有効に照射すると、走査中に照射ビーム２１の照射部位２２の直前を加熱して、非晶質シリコンを部分結晶化させ、あるいは、微細晶ながら全部結晶化して、微結晶化域５３を設けることができ、これは、その直後の照射部位２２の通過で、粗粒結晶域５４を形成することが容易になる。図７において、走査中の照射ビーム２１の一部がガラス基板７の裏面で反射され成る反射ビーム２４が、照射部位２２の直前を予熱して、非晶質域５２から微小結晶を析出させて微結晶化域５３を形成し、次の照射ビームの照射部位２２の通過により急速に加熱され次いで冷却される過程で、微細粒が熱流方向に沿って成長し粗大化した粗粒結晶域５４を作ることができる。

実施の形態７．
反射ビームのエネルギーを適切有効に利用するには、カラス基板の裏面には、反射膜を形成することが好ましく、反射膜は、ガラス基板中の透過ビームの反射率を大きくさせて、反射ビーム２４のパワーを高めて、実施形態５で述べたように、非晶質域５２への入力を高めて、微細結晶化を促進するものである。

反射ビームのエネルギーを高めると、非晶質シリコンを完全に結晶化させて微結晶化域５３を確実に設けることができ、その後の粗粒結晶域の形成が容易になる。

図８に示す例は、ガラス基板７の裏面の反射膜８は、表面のシリコン膜５と同様の別体のシリコン膜５５を利用している。裏面に形成する裏面シリコン膜５５は、ガラス基板７の表面シリコン膜５と成膜過程で同時に形成できるので、有利である。

しかしながら、ガラス基板の裏面の反射膜には、レーザビームに対して表面反射率がシリコン膜に比して高い金属皮膜を形成するのが好ましく、このような金属には、金、銅、ニッケル、アルミニウムが利用できる。図９には、ガラス基板７の表面７０に上記アニーリング処理すべき非晶質シリコン膜５が被着形成され、裏面７１には、反射膜８として、アルミニウム膜８１を形成したガラス基板７を示している。

アルミニウム膜は、可視光域で高い反射率を有するので、反射ビームを高いパワーで非晶質域５２を加熱して微結晶化でき、その後の照射レーザによる照射部位の通過により、粗粒結晶域５４を形成すると共に、アブレーションによる膜表面の凹凸や破壊を防止することができ、大きな結晶粒から成る多結晶域で、その表面が平滑にした多結晶シリコン基板を得ることができるのである。

実施の形態８．
照射角を設定するための別の実施形態は、光学系とステージ装置の上面との間の光路に楔状板を介装して、楔状板で照射ビームの光軸をシリコン膜の法線に対して傾斜させるものである。

この例を図１０に示すが、シリコン膜５を表面に形成したガラス基板７を支持するためのステージ装置(不図示)と、ステージ装置をｘ−ｙ二次元走査する走査手段（不図示）と、ステージ装置の上方に配置したレーザ光学系と、から成っている。レーザ光学系は、レーザ光源１として固体レーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザビーム２の強度分布をレーザビーム２の断面内一方向（この図では、ｙ 方向）に均一化する強度分布均一化手段３０と、強度分布均一化手段３０によりｙ方向に均一化したビームをｘ方向に収束して、ステージ装置の上面のシリコン膜５に照射するビーム形状調整手段４０と、ビーム形状調整手段４０からの照射ビームを傾斜させる楔状板６とから構成されている。この例では、強度分布均一化手段３０には、ｙ方向に垂直な対抗する一対の反射面３２、３３を有するガラスの導光体３１を用いて、ｙ方向に強度分布を均一化し、ビーム形状調整手段４０には、ｙ方向に垂直な断面で凸状レンズ断面のシリンドリカルレンズ４１を用いて、ｘ方向にのみ集光して照射ビームをシリコン膜に結像させる。そして、楔状板６は、ｙ方向に垂直な断面で楔状をなし、ｘ方向には直状として、ｘ方向にのみ屈折させて、所望の照射角θを得ている。

図１１には、楔状板６のウェッジ角θｗ（二つの透光面６１、６２との間の角度）と照射角θとの関係を示す。図１１（Ａ）において、楔状板６は、一方の透光面６０が、出射面としてシリコン膜に平行に配置され、他方の透光面６１が入射面として配置され、照射ビーム２１の光軸６０が、シリコン膜の、従って、出射側の透光面６２の法線に平行に入射側の透光面６１に入射するよう配置されている。この図において、照射ビーム２１の入射側透光面６１への入射角θ１は、ウェッジ角θｗに等しく（θ１＝θｗ）、また、楔状板６内部での屈折角θ２と出射面へ入射角θ３との和が、ウェッジ角θｗに等しいこと（θ２＋θ３＝θｗ）に注目して、次式から、所望の照射角θを実現するウェッジ角θｗを求めることができる。
ｎ_０ｓｉｎθｗ＝ｎ_１ｓｉｎ（θｗ−θ３）
ｎ_１ｓｉｎθ３＝ｎ_０ｓｉｎθ
ここで、ｎ_０とｎ_１は、それぞれ、空気と楔状板６の屈折率である。

別の例として 図１１（Ｂ）、一方の透光面６２を入射面として、シリコン膜と平行に配置し、他方の透光面６１を出射面として、シリコン膜側に配置し、照射ビーム２１を、入射側透光面６０に垂直に入射させて、出射側透光面６１から、照射角θでシリコン膜に向けて放射している。

この図１１（Ｂ）で、θ３＝θｗ、さらに、θ５＝θ＋θ３であることを利用して、ウェッジ角θｗと照射角θとの関係式を以下に得る。この式から所望の照射角θを実現するウェッジ角θｗを求めることができる。
ｎ_１ｓｉｎθｗ＝ｎ_０ｓｉｎ（θ＋θｗ）
ここで、ｎ_０とｎ_１は、それぞれ、空気と楔状板６の屈折率である。

楔状板の使用は、光学系をステージ装置上面に垂直に配置したレーザアニーリング装置を利用して、光学系とステージ上面との間に、上記ウェッジ角を設けた楔状板を配する固定具を設ければ、所望の照射角を実現でき、装置の機構上簡単であり、異なるウェッジ角の楔状板に差し替えることにより、上記照射角の変更も容易にできる利点がある。

本発明の実施形態に係る照射レーザビームとシリコン膜形成したガラス基板との関係を示す基板断面図。 本発明の実施形態の照射角とＭ^２値との関係を示す図。 本発明の実施形態に係るレーザアニーリング装置を示す模式的な斜視図。 本発明の別の実施形態に係るレーザアニーリング装置を示す模式的な斜視図。 本発明の実施形態に係る照射レーザビームとシリコン膜を形成したガラス基板との関係を示す基板断面図。 本発明の実施形態に係る照射レーザビームとシリコン膜形成したガラス基板との関係を示す基板断面図。 図６の実施例におけるシリコン膜形成したガラス基板の拡大図。 本発明の別の実施形態に係る照射レーザビームとシリコン膜形成したガラス基板との関係を示し、ガラス基板裏面に反射膜として別のシリコン膜を形成した基板断面図。 本発明の別の実施形態に係る図７同様図で、ガラス基板裏面に反射膜としてアルミニウム膜を形成した基板断面図。 本発明の別の実施形態に係る楔状板を配置したレーザアニーリング装置の断面図（Ａ、Ｂ）である。 図９に示す実施形態の楔状板での照射レーザビームの光路を示す図。 比較のための照射レーザビームとシリコン膜形成したガラス基板との関係を示す基板の断面図。

符号の説明

１ レーザ源、２ レーザビーム、２１ 照射ビーム、２２ 照射部位、２３ 透過ビーム、２４ 反射ビーム、５ シリコン膜、７ ガラス基板、１０ ステージ装置、３０ 強度分布均一化手段、３１ 反射鏡、４０ ビーム形状成形手段、８ 反射膜、８１ アルミニウム膜、θ 照射角。

Claims (18)

1. ガラス基板の表面上に形成した半導体膜に、レーザ光学系から放射されて半導体膜に部分透光性のレーザビームを走査しながら照射して、半導体膜を加熱して結晶化させるレーザアニーリング方法において、
   レーザ光学系によりレーザ光源からのレーザビームを、その断面形状が細長矩形状に成形した照射ビームを半導体膜上に照射しながら、該照射ビームをその長手方向に対しほぼ垂直な方向に走査させ、且つ、半導体膜への照射ビームの照射光軸にガラス基板の法線方向に対して走査による進行方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角を設けて、該照射角が、半導体膜上の照射ビームの光軸と反射ビームの光軸との距離が、照射ビームの半導体膜上での強度分布の１／ｅ^２半幅と反射ビームの半導体膜での強度分布の１／ｅ^２半幅との和と照射ビームの空間的可干渉距離との差より大きくなるように、設定し、照射ビームの一部が半導体膜を透過してガラス基板の裏面で反射して半導体膜へ照射する反射ビームを、半導体膜での上記照射ビームから実質的に離間させたことを特徴とする半導体膜のレーザアニーリング方法。
2. レーザ光学系の光軸を、ガラス基板を支持するステージに対して相対的に傾斜させて、上記照射角を設定する請求項１に記載のレーザアニーリング方法。
3. レーザ光学系の光路に反射鏡を介装して、上記照射ビームの光軸を上記照射角に設定した請求項１に記載のレーザアニーリング方法。
4. 上記レーザ光学系とガラス基板上半導体膜との間の照射ビームの光路に、透光性の楔状板を介して、上記照射角を設定する請求項１に記載のレーザアニーリング方法。
5. 上記照射ビームを、ガラス基板の法線方向に対して走査方向の反対方向に傾斜させて、上記半導体膜を透過してガラス基板からの反射ビームを照射部位より前方に配向した請求項１ないし４いずれかに記載のレーザアニーリング方法。
6. 上記照射ビームを、ガラス基板の法線方向に対して走査方向に傾斜させて、ガラス基板からの反射ビームを照射部位より後方に配向した請求項１ないし３いずれかに記載のレーザアニーリング方法。
7. 上記ガラス基板の裏面に反射膜が形成されて、上記半導体膜を透過した透過光を反射させて、照射部位より前方の半導体膜を予熱するようにした請求項１ないし５いずれかに記載のレーザアニーリング方法。
8. 上記反射膜が、高反射率を有する金属皮膜である請求項７に記載のレーザアニーリング方法。
9. 上記の半導体膜がシリコン膜であり、レーザ光源が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器の第一高調波を放射する請求項１ないし８いずれかに記載のレーザアニーリング方法。
10. ガラス基板の表面上に形成したシリコン膜上にレーザ光学系から放射した半導体膜に部分透光性のレーザビームを走査しながら照射して、半導体膜を加熱して結晶化させるレーザアニーリング装置において、
    レーザ光学系が、レーザ光源からのレーザビームを、断面形状を細長矩形状に成形した照射ビームにして半導体膜上に照射するビーム形状成形手段を含んで、該装置が、照射ビームをその長手方向に対しほぼ垂直な方向に走査させる走査手段を含み、
    該装置が、半導体膜への照射ビームの照射光軸をガラス基板の法線方向に対して走査方向に若しくはその反対方向に傾斜させる照射角を設け、該照射角が、半導体膜上の照射ビームの光軸と反射ビームの光軸との距離が、照射ビームの半導体膜上での強度分布の１／ｅ^２半幅と反射ビームの半導体膜での強度分布の１／ｅ^２半幅との和と照射ビームの空間的可干渉距離との差より大きくなるように、設定されて、照射ビームの一部が半導体膜を透過してガラス基板の裏面で反射して半導体膜を照射する反射ビームを半導体膜での照射ビームから実質的に離間させることを特徴とする半導体膜のレーザアニーリング装置。
11. レーザ光学系の光軸を、ガラス基板を支持するステージに対して相対的に傾斜させて、該照射角を設定する請求項１０に記載のレーザアニーリング装置。
12. レーザ光学系の光路に反射鏡を介装して、上記照射光軸を上記照射角に設定した請求項１０に記載のレーザアニーリング装置。
13. 上記レーザ光学系とガラス基板上半導体膜との間の照射ビームの光路に、透光性の楔状板を介して、上記照射角を設定する請求項１０に記載のレーザアニーリング装置。
14. 上記照射ビームを、ガラス基板の法線方向に対して走査方向の反対方向に傾斜させて、上記半導体膜を透過してガラス基板からの反射光を照射部位より前方に配向した請求項１０ないし１３いずれかに記載のレーザアニーリング装置。
15. 上記照射ビームを、ガラス基板の法線方向に対して走査方向に傾斜させて、ガラス基板からの反射光を照射部位より後方に配向した請求項１０ないし１３いずれかに記載のレーザアニーリング装置。
16. 上記ガラス基板の裏面に反射膜が形成されて、上記半導体膜を透過した透過光を反射させて、照射部位より前方の半導体膜を予熱するようにした請求項１０ないし１４いずれかに記載のレーザアニーリング装置。
17. 上記反射膜が、高反射率を有する金属皮膜である請求項１６に記載のレーザアニーリング装置。
18. 上記半導体膜がシリコン膜であり、レーザ光源が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器の第一高調波を放射する請求項１０ないし１７いずれかに記載のレーザアニーリング装置。
    

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