JP2005347694A - 半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜製造装置 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることのない半導体薄膜の製造方法、およびそのための製造装置を提供する。
【解決手段】 少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、当該前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を製造する方法であって、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて、レーザ光の照射またはパワー密度を制御しながら前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させる半導体薄膜の製造方法、ならびに、少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じてレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える半導体薄膜製造装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エネルギビーム、特にレーザ光を利用した半導体薄膜の製造方法およびそのための製造装置に関する。
アモルファス半導体薄膜を再結晶化して多結晶半導体薄膜とし、当該多結晶半導体薄膜にトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、アモルファス半導体薄膜に直接トランジスタを形成したアモルファス薄膜トランジスタと比較して電界移動度が大きいため高速動作が期待でき、液晶デバイスの駆動系のみならずガラス基板上での大規模集積回路を実現できる可能性を有している。
結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、たとえば、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や一部の周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、これらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。
また、その他の長所として、結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、表示装置の高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
多結晶半導体薄膜は、気相成長法によって得られるアモルファス半導体薄膜を、長時間、ガラスの歪点（約６００〜６５０℃）以下で熱アニールするか、レーザなどの高エネルギ密度を有する光を照射する光アニール法によって得られる。光アニール法では、ガラス基板の温度を歪点まで上昇させずに、半導体薄膜のみに高いエネルギを与えることが可能であるため、移動度が高い半導体薄膜の結晶化には非常に有効であると考えられる。
上記エキシマレーザを用いた再結晶化技術は一般的にＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法と称され、生産性に優れるレーザ結晶化技術として、工業的に用いられている。ＥＬＡ法は、具体的には、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、前記ガラス基板を一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のエキシマレーザをガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜にパルス放射するものである。この方法によって、アモルファスシリコン薄膜の厚さと同程度の平均粒径を有する多結晶シリコン薄膜が形成される。このとき、エキシマレーザを照射した部分のアモルファスシリコン薄膜は、厚さ方向全域にわたって溶融させるのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融させる。そのためレーザ光照射領域全面にわたって、いたるところにシリコンの結晶核が発生するので、シリコン薄膜の最表層に向かってシリコンの結晶が形成される。
ここで、さらに高性能な表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることや、シリコン結晶の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。その中でも特に、結晶を横方向に成長させる技術（特許文献１参照）がある（以下、「スーパーラテラル成長法」と記す。）。これは、まず数μｍ程度の微細幅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・凝固させて結晶化を行う。これにより溶融部と非溶融部の境界がガラス基板面に対して垂直に形成されるため、そこで発生した結晶核から結晶が全て横方向に成長する。その結果、１パルスのレーザ照射により、ガラスの基板面に対して平行で、大きさが均一な針状の結晶が得られる。１パルスのレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度であるが、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していくことにより、既に成長した結晶を引き継いで、長い針状の結晶粒が得られるといった特徴を有している。
しかしながら前記スーパーラテラル成長法においては、１パルスのレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度である。図６に示すように、結晶長の２倍以上の領域を溶融させた場合は、溶融領域の中央部に微細な結晶が形成される（図６（ｂ））。この微細な結晶は、ラテラル成長した結晶ではなく、基板方向への熱の流入に支配されて、基板の垂直方向に成長したものとなる。そのため、溶融領域を拡大することにより、結晶長が飛躍的に長い針状結晶を得ることはできない。したがって、スーパーラテラル成長法では、０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチでパルスレーザ照射を繰り返し行う必要がある。このため、表示装置などに用いる基板の全面にわたって結晶化するには極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題が指摘されている。
そこで、１パルスのレーザ照射によってより長い針状結晶を形成するための技術として、基板をヒータで加熱する方法や、基板もしくは下地膜をレーザで加熱する方法が数多く提案されている（たとえば、特許文献２を参照）。しかしながら、特許文献２に記載の方法は、ＺＭＲ（Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）法（帯域溶融再結晶化法）や、基板に垂直な方向に結晶成長させる方法を対象としたものであり、ラテラル成長法を対象としたものではない。
また、一般的にレーザ加工装置は、設定値の照射エネルギに対して、実際の照射エネルギにはばらつきがあるため、これを用いて形成された結晶は、粒径にばらつきが現れる。特に、結晶粒径を拡大するほど、そのばらつきは顕著に表れる。結晶粒径のばらつきは、半導体デバイス特性のばらつきとなる。詳しくは、半導体デバイスの作製位置によって、結晶粒径が異なると、ある所定のチャネル長に対して、電子の移動方向における結晶粒界数が異なる結果、移動度等の半導体デバイス特性にばらつきが生じる。
半導体薄膜表面の温度を一定に保つために、半導体基板表面での温度の変化を検知してレーザ光源を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献３を参照）。この特許文献３に記載の技術は、詳しくは、レーザ照射部の温度を放射温度計により検知して、その結果に応じてレーザ光を変調するというものである。しかし、放射温度温度計の応答速度は、速いもので数ｍｓｅｃオーダーであるため、数１００ｎｓｅｃ、μｓｅｃオーダーのパルス幅を有するレーザ光によるレーザ加工位置の温度測定には適用できないという問題点があった。
特許第３２０４９８６号公報 特許第３２２１１４９号公報 特許第３２１３３３８号公報 特開平５−２３５１６９号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることのない半導体薄膜の製造方法、およびそのための製造装置を提供することである。
本発明は、少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、当該前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を製造する方法であって、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて、レーザ光の照射またはパワー密度を制御しながら前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることを特徴とする。
ここにおいて、前記少なくとも二種のレーザ光は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含むことが好ましい。
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、前記基準レーザ光が第二のレーザ光であり、該第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることが好ましい。
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて第一のレーザ光を照射するか、第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御するか、または、第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御することが好ましい。
また本発明の半導体薄膜の製造方法においては、前記第一のレーザ光は紫外域または可視域の波長であって、前記第二のレーザ光は可視域または赤外域の波長であることが好ましい。
また、本発明に用いられる第二のレーザ光としては、９〜１１μｍの範囲内の波長を有するものであることが好ましい。
本発明の半導体薄膜の製造方法における再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されるものであることが、好ましい。
また、本発明は、少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じてレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える、半導体薄膜製造装置をも提供する。
かかる半導体薄膜製造装置は、前記二つ以上のレーザ光源は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源とを有し、検知手段が、基準レーザ光として第二のレーザ光が照射された箇所の反射率の変化を検知可能なものであり、制御手段が、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能なものであることを特徴とするものであることが好ましい。
また、前記検知手段が、前記第二のレーザ光が照射された箇所における第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化を検知可能なものであることが好ましく、中でも前記検知が可能な光センサであることがより好ましい。
本発明の半導体薄膜製造装置においては、前記第一のレーザ光源が紫外域または可視域の波長を有する第一のレーザ光を照射するものであり、前記第二のレーザ光源が可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射するものであることが好ましい。
また、本発明の半導体薄膜製造装置における第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光としては、９〜１１μｍの範囲内の波長を有するものであることが好ましい。
本発明の半導体薄膜製造装置による再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されるものであることが、好ましい。
本発明によれば、照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることがなく、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造する方法、およびそのための製造装置を提供することができる。このような本発明の製造方法、製造装置によって、従来と比較して性能が大幅に向上されたＴＦＴを安定して製造することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、スーパーラテラル成長法における送りピッチを飛躍的に長くすることができるため、結晶化処理時間の飛躍的な短縮も可能となる。
本発明の半導体薄膜の製造方法は、少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射して、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて、多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を製造する方法を前提とする。本発明に用いられるレーザ光は、少なくとも二種用いられ、その少なくともいずれかのレーザ光が前駆体半導体薄膜に照射されることによって、前駆体半導体薄膜が溶融再結晶化されて多結晶半導体領域が形成されるようなものであれば、その種類は特に制限されるものではないが、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含むのが好ましい。
本発明の半導体薄膜の製造方法において重要なことは、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体に照射した箇所の反射率の変化に応じて、レーザ光の照射またはパワー密度を制御することである。ここで、「基準レーザ光」は、前記少なくとも二種のレーザ光のうちから任意に予め定められたレーザ光であり、前駆体半導体薄膜の溶融再結晶化のためのレーザ光の照射に先立ち、前駆体半導体薄膜に照射される。前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を用いる場合、第二のレーザ光を基準レーザ光としてもよいし、またそれ以外のレーザ光（第三のレーザ光）を基準レーザ光としてもよい。
本発明において、前駆体半導体薄膜の溶融再結晶化のためのレーザ光は、前記基準レーザ光が前駆体半導体薄膜に照射された箇所の反射率の変化に応じて制御される。ここで、「反射率の変化」とは、前駆体半導体薄膜上における基準レーザ光の「反射光のパワー密度の変化」のことである。「反射光のパワー密度の変化」とは、反射光のパワー密度の絶対値の変化もしくは、ある所定の時間のパワー密度を基準とした場合のパワー密度の比の変化のことである。中でも、基準レーザ光にパワー密度のバラツキがある可能性があることから、前駆体半導体薄膜上における基準レーザ光のパワー密度の比の変化量に応じて、前駆体半導体薄膜の溶融再結晶化のためのレーザ光の照射またはパワー密度が制御されるように実現されるのが最も好ましい。
また本発明においては、前記基準レーザ光が前駆体半導体薄膜に照射された箇所における反射率の変化に応じて、溶融再結晶化のためのレーザ光の照射（照射のタイミング）またはパワー密度が制御される。上述のように「少なくとも二種のレーザ光」が前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を含む場合には、基準レーザ光の前記反射率の変化に応じて制御されるのは、第一のレーザ光、第二のレーザ光のうちのいずれであってもよい。
本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、再結晶化の際に成長する結晶は、好ましくは、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されるものである。上述したような本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、照射ごとのパワー密度のばらつきにより形成される結晶長が異なることがなく、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造する方法を提供することができる。このような本発明の製造方法によって、従来と比較して性能が大幅に向上されたＴＦＴを安定して製造することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、スーパーラテラル成長法における送りピッチを飛躍的に長くすることができるため、結晶化処理時間の飛躍的な短縮も可能となる。
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、少なくとも二種のレーザ光が、上述のように前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含み、当該第二のレーザ光を基準レーザ光として、第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御しながら前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることが好ましい。第三のレーザ光を基準レーザ光とするよりも、第二のレーザ光を基準レーザ光とした方が、装置構造を簡略化することができるという利点もある。
上述した本発明の半導体薄膜の製造方法の中でも、以下の（１）〜（３）のいずれかの態様が、特に好ましい。
（１）第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光を照射する方法（以下、「第一の方法」と呼ぶ）、
（２）第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御する方法（以下、「第二の方法」と呼ぶ）、
（３）第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御する方法（以下、「第三の方法」と呼ぶ）。
以下、これらの各態様について詳述する。
（１）第一の方法
図１は、本発明の半導体薄膜の製造方法のうち、前記第一の方法について説明するためのグラフであり、縦軸はパワー密度、横軸は時間を示している。図１のグラフにおいて、符号１は第一のレーザ光の照射波形を示しており、符号２は第二のレーザ光の照射波形を示している。また図２は、第二のレーザ光を照射し、当該第二のレーザ光の反射率の変化を検知することなく第一のレーザ光の照射を行った場合の実験結果について示すグラフである。本発明における第一の製造方法では、図１に示すように、まず、基準レーザ光として、第二のレーザ光を非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板に照射する。そして、前駆体半導体薄膜上の第二のレーザ光の反射光のパワー密度を検知し、当該パワー密度がある所定の値となった時点で、第一のレーザ光を照射する。このような第一の方法により、飛躍的に結晶長の長い針状結晶を得ることができる。
上述のように溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜に照射すると、前駆体半導体薄膜が加熱される。第二のレーザ光のエネルギは照射ごとに変動するから、たとえ第二のレーザ光の発振時間に対する第一のレーザ光の発振時間の遅延時間が同じであっても、第一のレーザ光が照射されるときの前駆体半導体薄膜および前駆体半導体薄膜基板の温度は第二のレーザ光の照射ごとに異なる。そのため、図２に示すように、飛躍的にラテラル結晶の結晶長を伸ばすようなレーザ加工条件において、第一のレーザ光のエネルギフルエンス（パワー密度をＰ（ｔ）、照射時間をｔ１とすると、照射波形が矩形の場合はＰ（ｔ）＝ＰでありＰ×ｔ１、照射波形が矩形以外の場合は
Figure 2005347694
）が同じであっても、第二のレーザ光の照射ごとに結晶長が異なっていた。本発明における第一の方法においては、第二のレーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の温度の変化を、当該第二のレーザ光のパワー密度の変化により検知し、前駆体半導体薄膜または前駆体半導体薄膜基板がある所定の温度に達した時点で、第一のレーザ光を照射するようにする。このようにすることで、第二のレーザ光の照射ごとのエネルギの変動の影響を受けにくくなり、照射ごとに安定した結晶長を得ることができる。
上述した基準レーザ光としての第二のレーザの照射による前駆体半導体薄膜の温度変化は、前記第二のレーザ光の反射光のパワー密度により検知することができる。一般に、半導体材料や金属材料は、各波長の光に対して所定の反射率を有している。これは反射率が各材料の各波長における屈折率に依存するためである。さらに、屈折率は材料の温度に対して依存性を有している。そのため、反射率は温度依存性を有する。本発明者らは、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板の、波長１０．６μｍのレーザ光に対する反射率は、室温（２５℃）、約３００℃、約６００℃において約１６％、約１９％、約２０％であるという結果を得た。反射率は非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板の温度をほとんど上昇させない程度の波長１０．６μｍのレーザ光を斜め方向より基板に照射して、その基板での反射前と反射後のパルスエネルギをエネルギメータにより測定し、反射前の測定値に対する反射後の測定値の比より求めた。室温以外の反射率についてはヒータで基板を加熱しながら測定を実施した。測定に用いた半導体薄膜基板の膜構造は、ガラス基板および１０００Åの酸化珪素膜（ＳｉＯ2）、４５０Åの非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）からなる。各温度における第二のレーザ光のパワー密度は、（第二のレーザ光のパワー密度）×（各温度における反射率）により求めることができる。第二のレーザ光のパワー密度を８１００Ｊ／ｍ2、パルス幅（照射時間）を１３００μｓｅｃとすると、検知される第二のレーザ光の反射光のパワー密度は室温、３００℃、６００℃においてそれぞれ１０．０ＭＷ／ｍ2、１１．９ＭＷ／ｍ2、１２．５ＭＷ／ｍ2となる。この結果より、たとえば、前駆体半導体薄膜の温度が３００℃のときに第一のレーザ光を照射する場合には、検知された第二のレーザ光のパワー密度が１０．０ＭＷ／ｍ2から１１．９ＭＷ／ｍ2に変位したことを検知した後に第一のレーザ光を照射すればよい。前駆体半導体薄膜の温度が３００℃周辺の場合には、前駆体半導体薄膜の温度が約１０℃変位するごとに、反射光のパワー密度は０．０３ＭＷ／ｍ2変位する。望ましくは、この変位量０．０３ＭＷ／ｍ2を認識して、第一のレーザ光の照射のタイミングを制御できるようにする。
かかる第一の方法においては、第一のレーザ光、第二のレーザ光のエネルギフルエンス（パワー密度×照射時間）は、固定値とする。この場合、第一のレーザ光のエネルギフルエンスは、１５００〜３５００Ｊ／ｍ2の範囲から選ばれるのが好ましく、２５００〜３０００Ｊ／ｍ2の範囲から選ばれるのがより好ましい。第一のレーザ光のエネルギフルエンスが１５００Ｊ／ｍ2未満であると、結晶長の長い結晶粒を形成することができなくなる傾向にあり、また第一のレーザ光のエネルギフルエンスが３５００Ｊ／ｍ2を越えると、Ｓｉ薄膜のアブレーションが発生しやすくなる傾向にあるためである。また、第二のレーザ光のパルス幅が１３０μｓｅｃの場合、第二のレーザ光のエネルギフルエンスは、７５００〜１００００Ｊ／ｍ2の範囲から選ばれるのが好ましく、８０００〜９０００Ｊ／ｍ2の範囲から選ばれるのがより好ましい。第二のレーザ光のエネルギフルエンスが７５００Ｊ／ｍ2未満であると結晶長の長い結晶粒を形成することができなくなる傾向にあり、また第二のレーザ光のエネルギフルエンスが１００００Ｊ／ｍ2を越えると、Ｓｉ薄膜のアブレーションが発生しやすくなる、半導体薄膜基板が第二のレーザ光により変形および／または破損してしまうというような傾向にあるためである。
（２）第二の方法
本発明の第二の方法では、まず、図１に示すように基準レーザ光として、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、所定の時間が経過した後に、第一のレーザ光を照射する。ただし、第二の方法においては、上述した第一の方法とは異なり、前駆体半導体薄膜上の第二のレーザ光の反射光のパワー密度を検知し、第一のレーザ光を照射する直前の検知結果に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御する。具体的には、検知された第二のレーザ光の反射光のパワー密度が所定の値より小さい場合には、第一のレーザ光のパワー密度を大きくし、逆に、反射光のパワー密度が所定の値より大きい場合には、第一のレーザ光のパワー密度を小さくする。図２より、第一のレーザ光のエネルギフルエンスの増加に伴い、結晶長が増加していることがわかる。第二の方法では、第二のレーザ光の反射光のパワー密度のばらつきに応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御することで、所望の結晶長を有する半導体薄膜を製造することが可能となる。
かかる第二の方法において、第一のレーザ光の照射を開始する時点は固定される。第一のレーザ光の照射開始時点は、所望の結晶長長さ、第一のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパルス幅によって決まる。照射開始時点が前記所定時間が経過する前である場合には、結晶長が所望の長さより短くなる傾向にある。また、照射開始時点が第二のレーザ光のパルス幅より長い時間を経過した後である場合についても結晶長が所望の長さより短くなる傾向がある。
たとえば、所望の結晶長長さを１０μｍ以上、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ2、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ2、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした場合、第一のレーザ光の照射開始時点は、第二のレーザ光の照射開始後、１１０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのが好ましく、１２０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのがより好ましい。第二のレーザ光の照射開始後１１０μｓｅｃ未満の時点で第一のレーザ光を照射開始すると、結晶長が所望の長さよりも短くなるというような傾向にあるためであり、また、第二のレーザ光の照射開始後１３０μｓｅｃを越えた時点で第一のレーザ光を照射開始した場合も結晶長が所望の長さより短くなるというような傾向にあるためである。
（３）第三の方法
図３は、本発明の半導体薄膜の製造方法のうち、前記第三の方法について説明するためのグラフであり、縦軸はパワー密度、横軸は時間を示している。図３のグラフにおいて、符号３は第一のレーザ光の照射波形を示しており、符号４は第二のレーザ光の照射波形を示している。本発明の第三の方法では、まず、図３に示すように基準レーザ光として、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、所定の時間が経過した後に、第一のレーザ光を照射する。ただし、第三の方法においては、上述した第二の方法とは異なり、前駆体半導体薄膜上の第二のレーザ光の反射光のパワー密度を検知し、第一のレーザ光を照射する直前の検知結果に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御する。具体的には、検知された第二のレーザ光の反射光のパワー密度が所定の値より小さい場合には、第二のレーザ光のパワー密度を大きくし、逆に、反射光のパワー密度が所定の値より大きい場合には、第二のレーザ光のパワー密度を小さくする。図６に示したような微細な結晶は、基板方向への熱流入によりラテラル成長が抑止されることによって、レーザ照射領域の中央部に形成される。したがって、レーザ照射領域の中央部に形成される微細な結晶の発生を抑止しラテラル成長距離をより長くするためには、レーザ照射領域中央部の凝固を遅らせることができればよい。第三の方法においては、溶融シリコンへの第二のレーザ光のパワー密度を制御することによって、溶融したシリコンの再結晶化の過程の制御（冷却速度の調整）をすることができ、照射ごとに安定した結晶長を得ることができる。
かかる第三の方法においても、上述した第二の方法の場合と同様に、第一のレーザ光の照射を開始する時点は固定される。第一のレーザ光の照射開始時点は、所望の結晶長長さ、第一のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパワー密度、第二のレーザ光のパルス幅によって決まる。照射開始時点が前記所定時間が経過する前である場合には、結晶長が所望の長さより短くなる傾向にある。また、照射開始時点が第二のレーザ光のパルス幅より長い時間を経過した後である場合についても結晶長が所望の長さより短くなる傾向がある。
たとえば、所望の結晶長長さを１０μｍ以上、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ2、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ2、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした場合、第一のレーザ光の照射開始時点は、第二のレーザ光の照射開始後、１１０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのが好ましく、１２０〜１３０μｓｅｃの範囲内の時点であるのがより好ましい。第二のレーザ光の照射開始後１１０μｓｅｃ未満の時点で第一のレーザ光を照射開始すると、結晶長が所望の長さよりも短くなるというような傾向にあるためであり、また、第二のレーザ光の照射開始後１３０μｓｅｃを越えた時点で第一のレーザ光を照射開始した場合も結晶長が所望の長さより短くなるというような傾向にあるためである。
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、少なくとも二種のレーザ光が前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を含む場合、第一のレーザ光としては、ｎｓ〜μｓオーダーの極めて短い時間に大きなエネルギを薄膜に与えることができること、ならびに、紫外域の光はシリコン薄膜によく吸収されることから、紫外域の波長を有するレーザ光を用いるのが好ましい。ここで「紫外域の波長」とは、１ｎｍ以上４００ｎｍ未満の波長を指す。このような第一のレーザ光としては、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどを好適に用いることができる。中でも、波長３０８ｎｍのエキシマレーザが特に好適である。
また、少なくとも二種のレーザ光が前記第一のレーザ光および第二のレーザ光を含む場合、前記第二のレーザ光としては、溶融されたシリコンの再結晶化の過程を制御し得る必要がある。すなわち、非晶質半導体領域を有する前駆体半導体薄膜基板を加熱し得、また溶融シリコンに吸収され得る必要があることから、可視域または赤外域の波長を有するレーザ光（可視域から赤外域の波長を有するレーザ光）を用いることが好ましい。ここで、「可視域の波長」とは４００ｎｍ以上７５０ｎｍ未満の波長を指し、「赤外域の波長」とは７５０ｎｍ以上１ｍｍ以下の波長を指す。このような第二のレーザ光としては、たとえば、５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、または９〜１１μｍの範囲の波長（特に、１０．６μｍの波長）を有するＣＯ2レーザを特に好適に用いることができる。波長５３２ｎｍ、１０６４ｎｍの光に対する液体シリコンの吸収率は約６０％（特許文献４を参照）、また波長１０．６μｍの光に対する液体シリコンの吸収率は約１０〜２０％（本発明者らの実験結果）である。よって、特に第三の方法においては、溶融シリコンへの吸収率が大きい、波長５３２ｎｍ、１０６４ｎｍのレーザを用いるとよい。
本発明の方法に用いる前駆体半導体薄膜としては、非晶質半導体あるいは結晶性半導体であれば特に限定されず、任意の半導体材料を用いることができる。前駆体半導体薄膜の材質の具体例としては、従来より液晶表示素子の製造工程において用いられていて、製造が容易であるという理由から、水和したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をはじめとするアモルファスシリコンを含む材質が好ましいが、この材質はアモルファスシリコンを含む材質に限られるものではなく、多少結晶性に劣る多結晶シリコンを含む材質であってもよく、微結晶シリコンを含む材質であってもよい。また、前駆体半導体薄膜の材質は、シリコンのみからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することにより前駆体半導体薄膜の禁制帯幅を任意に制御することができる。
前駆体半導体薄膜の厚さは、特に制限されるものではないが、３０〜２００ｎｍの範囲が好適である。前駆体半導体薄膜が薄すぎると、均一の厚みでの成膜が困難となる傾向にあるためであり、また、前駆体半導体薄膜が厚すぎると、成膜に時間がかかりすぎる傾向にあるためである。
また前駆体半導体薄膜は、通常、絶縁性基板上に形成された構造物（当該構造物を、本明細書では「基板複合体」と呼ぶ。）の形態で、本発明の製造方法に供される。図４は、本発明の半導体薄膜の製造方法に好適に使用することができる基板複合体５の好ましい一例を模式的に示す図である。このような基板複合体５において、前駆体半導体薄膜６は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって絶縁性基板７上に形成される。
絶縁性基板７としては、ガラスや石英などを含む材質にて形成された公知の基板を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板を容易に製造できる点で、ガラス製の絶縁性基板を用いることが望ましい。絶縁性基板の厚みは、特に制限されるものではないが、０．５〜１．２ｍｍであるのが好ましい。絶縁性基板の厚みが０．５ｍｍ未満であると、絶縁性基板が割れやすく、また高平坦性の基板を製造することが困難となるという傾向にあるためであり、また、１．２ｍｍを越えると、表示素子を形成した際に厚すぎたり、重すぎたりする傾向にあるためである。
また、前記基板複合体５において、前駆体半導体薄膜６は、絶縁性基板７上にバッファ層８を介して形成されてなるのが好ましい。バッファ層８を形成することにより、主としてレーザ光による溶融、再結晶化の際に、溶融した前駆体半導体薄膜６の熱影響がガラス基板である絶縁性基板に及ばないようにすることができ、さらにガラス基板である絶縁性基板７から前駆体半導体薄膜６への不純物拡散を防止することができるからである。バッファ層８は、当分野で従来より用いられている酸化シリコン、窒化シリコンなどの材料にてたとえばＣＶＤ法などにて形成することができ、特に制限されるものではない。なおバッファ層８の厚みは、特に制限されるものではないが、１００〜５００ｎｍであるのが好ましい。バッファ層が薄すぎると、不純物拡散防止効果が不十分である虞があるためであり、また、バッファ層が厚すぎると、成膜に時間がかかり過ぎる傾向にあるためである。
本発明はまた、半導体薄膜製造装置も提供する。かかる本発明の半導体薄膜製造装置は、少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じてレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える。本発明の半導体薄膜製造装置において、「少なくとも二種のレーザ光」、「基準レーザ光」、「反射率の変化」などの用語については、半導体薄膜の製造方法において上述したとおりである。このような半導体薄膜製造装置を用いることで、上述した本発明の半導体薄膜の製造方法を好適に行うことができ、再結晶化の際に成長する結晶は、好ましくは、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長される。本発明の半導体薄膜製造装置によれば、照射ごとのエネルギのばらつきにより形成される結晶長が異なることがなく、ラテラル成長距離が飛躍的に増大された結晶長の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を安定して製造することができ、結果として、従来と比較して性能が大幅に向上されたＴＦＴを安定して製造することが可能となる。
図５は、本発明の半導体薄膜製造装置１０の好ましい一例を概略的に示す図である。本発明の半導体製造装置は、図５に示すように、前記二つ以上のレーザ光源が、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源（第一のレーザ発振器）１１と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源（第二のレーザ発振器）１２とを有し、基準レーザ光として第二のレーザ光が照射された箇所の反射率の変化を検知可能な検知手段２２、ならびに第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能な制御手段２３を基本的に備えるものであることが、好ましい。図５に示すような半導体薄膜製造装置１０においては、当分野にて従来より広く用いられている公知のレーザ光源および各種光学部品、検知手段および制御手段を適宜組み合わせることによって好適に実現することができる。
図５に示す例の半導体薄膜製造装置１０においては、第一のレーザ光源１１から放射された第一のレーザ光は、アッテネータ１３、均一照射光学系１５、マスク１７、結像レンズ２０を通過する第一のレーザ光路を経て、基板複合体３１上に照射されるように構成される。基板複合体３１は、ＸＹ方向に所定の速度で移動可能なステージ１９上に載置される。
第一のレーザ光源１１は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有するレーザ光を発振可能なものであれば、特に制限されるものではないが、上述したように、ｎｓ〜μｓオーダーの極めて短い時間に大きなエネルギを薄膜に与えることができること、ならびに、紫外域の光はシリコン薄膜によく吸収されることから、紫外域の波長を有するレーザ光を発振可能なものであるのが好ましい。このような第一のレーザ光源としては、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザを発振可能なものを好適に用いることができ、中でも、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを発振するレーザ光源が特に好適である。また、第一のレーザ光源としては、パルス状のエネルギビームを放射し得るものであるのが好ましい。
第一のレーザ光源１１より放射されたレーザ光は、第一のレーザ光路に設けられたアッテネータ１３によって、所定の光量に減衰され、パワー密度が調整される。その後、第一のレーザ光は、均一照射光学系１５によってパワー密度分布が均一化されて適当な寸法に整形され、マスク１７のパターン形成面に均一に照射される。マスク１７の像は、結像レンズ２０によって、基板複合体３１上に所定倍率（たとえば、１／４）で結像される。また、第一のレーザ光路に設けられたミラー２１は、レーザ光を折返すために用いるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
また、図５に示す例の半導体薄膜製造装置１０においては、第二のレーザ光源１２から放射された第二のレーザ光についても、アッテネータ１４、均一照射光学系１６、マスク１８、結像レンズ２４を通過する第二のレーザ光路を経て、基板複合体３１上に照射されるように構成される。
第二のレーザ光源１２は、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有するレーザ光を発振可能なものであれば、特に制限されるものではないが、溶融されたシリコンの再結晶化の過程を制御し得るとともに前駆体半導体薄膜を加熱し得、また溶融シリコンに吸収され得ることから、可視域または赤外域の波長を有するレーザ光（可視域から赤外域の波長を有するレーザ光）を発振可能なものであるのが好ましい。このような第二のレーザ光源としては、たとえば、５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ、または９〜１１μｍの範囲の波長（特に、１０．６μｍの波長）を有するＣＯ2レーザを特に好適に用いることができる。
第二のレーザ光源１２より放射されたレーザ光は、第二のレーザ光路に設けられたアッテネータ１４によって、所定の光量に減衰され、パワー密度が調整される。その後、第二のレーザ光は、均一照射光学系１６によってパワー密度分布が均一化されて適当な寸法に整形され、マスク１８のパターン形成面に均一に照射される。マスク１８の像は、結像レンズ２４によって、基板複合体３１上に所定倍率で結像される。また、第二のレーザ光路に設けられたミラー２１は、レーザ光を折返すために用いるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
検知手段２２は、前駆体半導体薄膜上における第二のレーザ光の反射光のパワー密度を計測できるように構成されている。かかる検知手段２２としては、前記パワー密度を計測可能なものであれば特に制限されるものではなく、光センサ、焦電センサなど、従来公知の適宜の検知手段を用いることができる。中でも、高速応答性に優れた光センサを用いるのが好ましい。
光センサとしては、特に制限されるわけではなく、感光部がＳｉにより構成されているものでもよい。第二のレーザ光として波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いた場合は、感光部がＡｇＯＣｓもしくはＩｎＧａＡｓにより構成されているものを用いるのが好ましい。第二のレーザ光として波長１０．６μｍのＣＯ2レーザを用いた場合は、感光部がＨｄＣｄＺｎＴｅにより構成されているものを用いるのが好ましい。
光センサはまた、その計測結果を、電圧値として制御手段２３に出力し得る構成としたものが好ましい。光センサは、所定のレーザ耐力を有することから、減衰光学系（図示せず）を有するのが好ましい。また、半導体基板３１が１０℃温度変化するごとに光センサの出力値である電圧値がノイズ成分の振動の幅以上変位するようにした制御回路を有しているのが好ましい。
制御手段２３は、前記検知手段２２によって検知された、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能なものであれば、特に制限されるものではない。具体的には、上述した本発明の半導体薄膜の製造方法の好ましい態様である第一の方法〜第三の方法のうち、いずれの態様に適用させるかによって、異なる構成を採る。たとえば、上述した第一の方法に用いる場合の半導体薄膜製造装置における制御手段は、検知手段によって検知された第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光の照射のタイミングを制御し得るように実現される。また、上述した第二の方法に用いる場合の半導体薄膜製造装置における制御手段は、検知手段によって検知された第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御し得るように実現される。さらに、上述した第三の方法に用いる場合の半導体薄膜製造装置における制御手段は、検知手段によって検知された第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御し得るように実現される。上述したような制御手段は、制御の条件に応じて、従来公知の適宜の制御手段を用いるか、あるいは組み合わせることで、実現することができる。制御手段２３はまた、図示しない前記ステージ位置の制御、レーザ照射目標位置の記憶、装置内部の温度制御、装置内部の雰囲気制御を行うように実現されていてもよい。
なお、上述した例においては、検知手段として、第二のレーザ光の反射光のパワー密度を検知する光センサなどを例示したが、本発明の半導体薄膜製造装置における検知手段は、前駆体半導体薄膜上の基準レーザ光が照射された箇所における反射率の変化を検知し得るものであればよく、たとえば、第三のレーザ光を照射可能なレーザ光源（第三のレーザ光源）をさらに備え、かかる第三のレーザ光を基準レーザ光として用い、この第三のレーザ光の波長に対応して検知可能な光センサなどを用いるようにしてもよい。かかる場合、第三のレーザ光としては、前駆体半導体薄膜の温度変化に対してより反射率が大きく変化する波長を有するもの（たとえば、基準レーザ光として５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザと１０．６μｍの波長を有する炭酸ガスレーザとを比較した場合、本発明者らの実験結果より、前駆体半導体薄膜基板の温度が３００℃周辺の場合、前駆体半導体薄膜基板の温度が約１０℃変位するごとに、反射率の変化量はそれぞれ０．０７％、０．０９％である。単位温度あたりの反射率の変化量が大きい方が、温度差を検知しやすいことから、炭酸ガスレーザの方が好ましい。）。また、この場合、光センサとしては、感光部がＨｄＣｄＺｎＴｅにより形成されたものを用いるのが好ましい。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
図４に示したような構成の半導体薄膜製造装置を用い、図１に示すように、まず、基準レーザ光として、基板面上におけるサイズが５．５ｍｍ×５．５ｍｍとなるように方形状に整形された第二のレーザ光を基板複合体上に斜入射させるように照射し、第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じ、基板面上におけるサイズが４０μｍ×５００μｍとなるように方形状に整形された第一のレーザ光を垂直方向から入射させるように照射した。第一のレーザ光としては、パルス状のエネルギを放射する波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用い、また第二のレーザ光としては、パルス状のエネルギを放射する波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザを用いた。また、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ2、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００ｍＪ／ｍ2、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした。
第二のレーザ光の反射光のパワー密度は、光センサ（ＰＤ−１０ Ｓｅｒｉｅｓ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ＣＯ2 Ｌａｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ、Ｖｉｇｏ Ｓｙｓｔｅｍ社製、感光部形成材料：ＨｄＣｄＺｎＴｅ、立ち上がり時間：約１ｎｓｅｃ以下）を用い、その電圧値の変化により検知されるようにした。光センサによる検知結果は、電圧値として制御手段に出力されるように構成した。かかる光センサの検知結果の出力に基づき、制御手段により、第一のレーザ光の照射のタイミングを制御するようにした。
＜実施例２＞
第一のレーザ光を照射する直前の前記光センサの検知結果に応じて第一のレーザ光の放射エネルギの設定を変更することができるように構成された制御手段を備える以外は、実施例１で用いたのと同様の半導体薄膜製造装置を用いて、半導体薄膜を製造した。
まず、図１に示すように、基板複合体上に第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後（第二のレーザ光の照射開始時から１２０μｓｅｃ後）に第一のレーザ光を照射した。この際、第一のレーザ光の照射エネルギは第一のレーザ光を照射する直前の光センサ２２の検出結果に応じて設定するようにして、パワー密度を制御した。たとえば、第二のレーザ光の反射光のパワー密度が６２．３ＭＷ／ｍ2より小さい場合は、第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ2より大きくした。
＜実施例３＞
第一のレーザ光が照射される直前の反射光のパワー密度変化と第一のレーザ光照射によりシリコンが溶融したことを検知することができる光センサ、ならびに、第一のレーザ光を照射する直前の前記光センサの検知結果に応じて第二のレーザ光のパワー密度を制御することができるように構成された制御手段を備える以外は、実施例１で用いたのと同様の半導体薄膜製造装置を用いて、半導体薄膜を製造した。
まず、図３に示すように、基板複合体上に第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後（第二のレーザ光の照射開始時から１２０μｓｅｃ後）に第一のレーザ光を照射した。この際、第一のレーザ光により前駆体半導体薄膜を溶融させた後に、第二のレーザ光のパワー密度を変調させた。
＜比較例１＞
検知手段、制御手段を備えない以外は、実施例１で用いたのと同様の従来の半導体薄膜製造装置を用い、半導体薄膜を製造した。
まず、基板複合体上に第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後（第二のレーザ光の照射開始時から１２０μｓｅｃ後）に第一のレーザ光を照射した。第一のレーザ光のエネルギフルエンスを３０００Ｊ／ｍ2、第二のレーザ光のエネルギフルエンスを８１００Ｊ／ｍ2、パルス幅（照射時間）を１３０μｓｅｃとした。
表１には、上述した実施例１〜３、比較例１によって得られた半導体薄膜のラテラル成長距離を示す。表１に示すように、本発明の製造方法により、飛躍的に結晶長を安定して得ることが可能となった。
Figure 2005347694
これまでは照射ごとに結晶長が異なると、結晶化部を活性層とする半導体デバイスを作製した場合、その特性、特に移動度が照射ごとに異なるという問題が発生していた。これは、形成された結晶長が所望の結晶長以下であると、チャネル部の電子移動方向に対して結晶粒界が存在することがあるためである。また、スーパーラテラル成長法においては、形成される結晶長が送りピッチ以下になると１回前の照射により形成された結晶を引き継ぐことができなくなるため、送りピッチは形成される最短の結晶長に基づいて決めるものである。したがって、表１の比較例では、最短の結晶長である１２μｍに基づいて送りピッチを決定する必要があったが、本発明の方法では、最短の結晶長である１７μｍに基づいて送りピッチを決定すればよく、従来例と比較してより長い送りピッチとすることができ、少ない照射回数でより長い結晶を得ることができる。
本発明の半導体薄膜の製造方法のうち、前記第一の方法について説明するためのグラフである。 第二のレーザ光を照射し、所定の時間が経過した後に第一のレーザ光を照射するという基板温度の検知結果を用いない以外は、第一の方法と同様に溶融再結晶化を行った場合の実験結果について示すグラフである。 本発明の半導体薄膜の製造方法のうち、前記第三の方法について説明するためのグラフである。 本発明の半導体薄膜の製造方法に好適に使用することができる基板複合体５の好ましい一例を模式的に示す図である。 本発明の半導体薄膜製造装置１０の好ましい一例を概略的に示す図である。 従来の半導体薄膜の製造方法を説明するための図である。
符号の説明
１ 第一のレーザ光の照射波形、２ 第二のレーザ光の照射波形、３ 第一のレーザ光の照射波形、４ 第二のレーザ光の照射波形、５ 基板複合体、６ 前駆体半導体薄膜、７ 絶縁性基板、８ バッファ層、１０ 半導体薄膜製造装置、１１ 第一のレーザ光源、１２ 第二のレーザ光源、１３，１４ アッテネータ、１５，１６ 均一照射光学系、１７，１８ マスク、１９ ステージ、２０ 結像レンズ、２１ ミラー、２２ 検知手段、２３ 制御手段。

Claims (18)

  1. 少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、当該前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させて多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を製造する方法であって、
    予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて、レーザ光の照射またはパワー密度を制御しながら前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  2. 前記少なくとも二種のレーザ光は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
  3. 前記基準レーザ光が第二のレーザ光であり、該第二のレーザ光の反射率の変化に応じて、第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御し、前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
  4. 第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光を照射することを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
  5. 第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第一のレーザ光のパワー密度を制御することを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
  6. 第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化に応じて、第二のレーザ光のパワー密度を制御することを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
  7. 前記第一のレーザ光が紫外域の波長を有するものであり、前記第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有するものであることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  8. 前記第一のレーザ光が可視域の波長を有するものであり、前記第二のレーザ光が可視域または赤外域の波長を有するものであることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  9. 前記第二のレーザ光が９〜１１μｍの範囲内の波長を有することを特徴とする、請求項２〜８のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  10. 再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  11. 少なくとも二種のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射可能な二つ以上のレーザ光源と、予め定める基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化を検知可能な検知手段と、前記基準レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じてレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能な制御手段とを備える、半導体薄膜製造装置。
  12. 前記二つ以上のレーザ光源は、前駆体半導体薄膜に吸収可能な波長および前駆体半導体薄膜を溶融可能なエネルギを有する第一のレーザ光を照射する第一のレーザ光源と、溶融した前駆体半導体薄膜の再結晶化の過程を制御可能な波長およびエネルギを有する第二のレーザ光を照射する第二のレーザ光源とを有し、
    検知手段が、基準レーザ光として第二のレーザ光が照射された箇所の反射率の変化を検知可能なものであり、
    制御手段が、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射した箇所の反射率の変化に応じて第一または第二のレーザ光の照射またはパワー密度を制御可能なものであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体薄膜製造装置。
  13. 検知手段が、前記第二のレーザ光が照射された箇所における第二のレーザ光の反射光のパワー密度の変化を検知可能なものである、請求項１２に記載の半導体薄膜製造装置。
  14. 検知手段が光センサである、請求項１３に記載の半導体薄膜製造装置。
  15. 前記第一のレーザ光源が紫外域の波長を有する第一のレーザ光を照射するものであり、前記第二のレーザ光源が可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射するものである、請求項１２〜１４のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
  16. 前記第一のレーザ光源が可視域の波長を有する第一のレーザ光を照射するものであり、前記第二のレーザ光源が可視域または赤外域の波長を有する第二のレーザ光を照射するものである、請求項１２〜１４のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
  17. 前記第二のレーザ光源により照射される第二のレーザ光は９〜１１μｍの波長を有することを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
  18. 再結晶化の際に成長する結晶は、半導体薄膜基板面に対して略平行に結晶成長されることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。

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