JP2008294186A - 結晶化装置および結晶化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】結晶化装置において、高エネルギー密度の出力が得られる可視光源を提供する。
【解決手段】可視光照射系は、２次元アレイ配列した複数の可視光レーザー光源によって形成する。可視光照射系は、各可視光レーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングする光強度分布形成手段と、この光強度分布形成手段でパターンニングした光強度分布の光を被処理基板上の照射域に結像する結像光学系とを備える。被処理基板と光軸上の結像位置関係にあたる光強度分布形成手段に対して、複数の固体レーザー又は半導体レーザーが発する各可視レーザー光を重畳させる。エキシマレーザー光と可視光レーザー光との重畳において、複数の可視光のレーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光を重畳し、この重畳により形成される可視光レーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜に光線を用いて溶融し結晶化させる結晶化装置に関し、特に、位相変調して得られる光強度分布を有するレーザー光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する技術（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）に関する。
ガラス基板等の絶縁体上に形成された非結晶半導体層を結晶化させて結晶質半導体層を得、この結晶質半導体層を活性層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を形成する技術が知られている。
例えば、アクティブマトリックス型液晶表示装置では、シリコン膜等の半導体膜を設けガラス基板上に薄膜トランジスタを形成し、この薄膜トランジスタを切換え表示を行うためのスイッチング素子として用いている。
薄膜トランジスタの形成は、非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化工程を含んでいる。この結晶化技術として、例えば、大エネルギーの短パルス・レーザー光を用いて非単結晶半導体薄膜の照射領域を溶融して、結晶化するレーザー結晶化技術が知られている。
現在、生産に供されているレーザー結晶化装置では、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法を採用している。しかしながら、この手法では、得られた半導体膜の結晶粒径が０．５μｍ以下と小さく、そのため、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が存在することになり、ＴＦＴの特性が抑制されるなど性能に限界がある。
このＴＦＴの性能を向上させるために、大きな結晶粒を有する高品質な半導体膜を製造する技術が要求されている。この要求を満足させる結晶化法として、各種のレーザー結晶化技術の中で、特に、位相変調して形成した逆ピークパターン状の光強度分布を有するエキシマレーザー光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する技術が注目されている。
前述した位相変調を行うことなく均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法をＥＬＡ技術と云うのに対して、位相変調したエキシマレーザー光を照射して行う結晶化する技術をＰＭＥＬＡ技術と云い、所定の光強度分布を持つエキシマレーザー光を、非単結晶半導体薄膜に照射し、この半導体膜の照射部を溶融して、結晶化を行う。
所定の光強度分布を持つエキシマレーザー光は、位相変調素子等の光変調素子、例えば位相シフタ等の位相変調素子により入射レーザー光を位相変調させることにより得られる。非単結晶半導体薄膜は、例えば、ガラス基板上に形成した非晶質シリコン若しくは多結晶シリコンの薄膜である。
現在開発されているＰＭＥＬＡ技術では、１回のエキシマレーザー光の照射で数ｍｍ角程度の大きさの領域を溶融・結晶化させる。この結晶化非単結晶半導体薄膜処理により、数μｍから１０μｍ程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン薄膜が形成されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法で形成した結晶化シリコン薄膜に作成されたＴＦＴは、優れた電気特性を有することが示されている。
このＰＭＥＬＡ結晶化技術は、レーザー光の使用効率が高く、大粒径の結晶が得られるという優れた特徴を有する。しかしながら、安定した電気特性を得るためには結晶粒を高い精度で位置決めする必要がある。また、大面積の半導体膜を結晶化させるには、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式と呼ばれる、非単結晶半導体膜にレーザー光を照射後、次の照射位置までガラス基板を移動させ停止させた後再びレーザー光を照射する工程を繰り返す照射方式が用いられている。
ＰＭＥＬＡ結晶化技術において、シリコン薄膜の微小領域において溶融し結晶化する状態を評価するために観察することが求められている。この結晶化を光学的に観察する技術として、観察用照明光学系を設け、パルス状エネルギー光を照射した後に観察する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図８は、ＰＭＥＬＡ結晶化による結晶化装置の一構成例を説明するための図である。図８において、結晶化装置１００は、大粒径の結晶化を行うための結晶化用光パターンを形成する結晶化用光学系１０１を備える。結晶化用光学系１０１は、レーザー光源１１１と、ビームエキスパンダ１１２と、ホモジナイザ１１３と、位相シフタ（例えば、位相変調素子）１１４と、結像光学系１１５と、基板１３０を予め定められた位置に案内するステージ１４０とを備える。レーザー光源１１１からのレーザー光はビームエキスパンダ１１２で拡大され、ホモジナイザ１１３により面内の光強度が均一化され、位相シフタ１１４に照射される。位相シフタ１１４を透過したエキシマレーザー光は、所定の光強度分布に変調され、結像光学系１１５により基板１３０上に照射される。
また、位相変調を行うことなく均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射するＥＬＡ技術では、結晶化用エネルギーとして紫外線領域の光を照射し、観察用の照明用光として可視光領域の光を照射することによって結晶化を光学的に観察する技術が提案されている。
図８において、結晶化プロセスの被処理領域を観察する観察系１２０は、観察用照明光源１２１，ビームエキスパンダ１２２，ハーフミラー１２３，環状鏡面系１２４を含む観察用照明光学系と、顕微光学結像系１２５、光検出器１２６および撮像装置を含む顕微観察光学系とを備える（例えば、特許文献２参照）。
また、均一な温度分布で加熱することによって、結晶成長を促進して比較的大きな結晶粒を形成し、結晶欠陥を減少させ、半導体膜の電気的特性を向上させるために、半導体膜を結晶化させる第１のエネルギービームと、この第１のエネルギービームよりも半導体膜の吸収率が小さく、半導体膜を結晶化させるエネルギーよりも小さなエネルギーの第２のエネルギービームとを照射することが提案されている。この第２のエネルギービームは半導体膜の下部および基板にまで到達して、半導体膜の厚さ方向にわたって加熱することで基板を加熱し、第１のエネルギービームの照射前後の温度差を減少させる。この第１のエネルギービームとしてエキシマレーザーによるレーザー光を用いて、第２のエネルギービームとして可視光領域の波長成分を含むことが示されている（特許文献３，４参照）。
また、加熱された被処理基板の温度分布を均一に保持するために、基板の上層部分にキャップ層を設ける構成とすることも知られている。被処理基板は、例えば、ベース基板の上に絶縁膜を介して半導体薄膜等の被処理膜を形成し、この膜上に絶縁膜からなるキャップ膜を設ける。キャップ膜は、加熱された被処理基板の放熱を低減して、被処理基板の温度分布の均一化を図る。
また、結晶粒を高い精度で位置決めするには、光変調素子のパターンを精密に基板上に投影する必要があるが、レーザー光を高い頻度で繰り返して連続照射すると、光学系の雰囲気温度が上昇したり、レンズ系が熱膨張することによって、照射中に、基板上に投影される光変調素子のパターンの投影倍率が変動する。
レーザー波長３０８ｎｍを用いた場合、雰囲気温度が３℃上昇すると、例えば１／５縮小テレセントリックレンズでは、１０ｍｍの光変調素子パターンを２ｍｍ角に縮小して基板上に転写する際、１／５．０００から１／４．９９４への倍率変動によって、投影されたパターンの周辺部では２．４μｍ程度の誤差が生じることがシミュレーションから確認される。
この投影倍率の変動は、レーザー光の照射によって形成される結晶化領域において、後工程でトランジスタが結晶粒界をまたいで形成されると、スイッチング特性等の低下を引き起こす要因となる。
数μｍに及ぶ擬似単結晶を形成することが可能なＰＭＥＬＡ（Phase Modulated Excimer Laser Annealing）結晶化技術において、光変調素子がその結晶成長に重要な役割を担っており、エキシマレーザーによって被処理基板上にその光強度分布が転写される光変調素子の形状を最適化することが重要なファクターである。
井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol.J85-C,No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマ・レーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」 特開２００６−６６４６２号公報 特開２００５−２９４８０１号公報 特開２０００−６８５２０号公報 特開２００２−２６１０１５号公報
上述したように、ＰＭＥＬＡ（Phase Modulated Excimer Laser Annealing）結晶化技術においては光変調素子がその結晶成長に重要な役割を担っており、エキシマレーザーによって被処理基板上にその光強度分布が転写される光変調素子の形状を最適化することが重要なファクターである。
しかしながら、エキシマレーザーがＵＶ光であり、かつパルス照射レーザーであることから、基板上に形成する光強度分布が可視化することが困難である。そのため、所望の結晶化成長を得るための光変調素子を最適化することができないという問題がある。
ＰＭＥＬＡ（Phase Modulated Excimer Laser Annealing）結晶化技術において、結晶化された状態を光学的に観察することは、上述した特許文献１で提案され、また、ＥＬＡ技術において、結晶化を紫外光領域のエキシマレーザーで行い、観察を可視光領域の光を用いることも特許文献２で提案されているが、何れも結晶化後の状態を観察するものであるため、この観察結果に基づいて光変調素子の形状を最適化するには、モニタ用の領域について予め結晶化を行い、その結晶化状態を観察した後に光変調素子を調整する必要があるため、光変調素子を調整において即時性の点で問題があり、被処理部分を結晶化する際の光変調素子を調整することができないという問題がある。
また、均一な温度分布を得るために、被処理領域に照射するエネルギービームを、結晶化を行うための第１のエネルギービームと、加熱を行うための第２のエネルギービームの２種類に分けること、および、加熱を行うための第２のエネルギービームとして吸収率が小さく、エネルギーの小さな光を用いることで（特許文献３，４の段落０１０６，０１１５，０１１７等）、被処理領域に影響を与えることなく加熱するものである。
したがって、従来提案される何れのものも、結晶化を行うエネルギービームの光強度分布を結晶化を行う状態で観察・測定することができないという問題があり、この観察・測定に基づいて光変調素子あるいは金属開口を調整して光強度分布を最適化することができないという問題がある。
本出願の発明者は、被処理基板上に転写される光強度分布のパターンを可視領域の光を用いることによって、光強度分布の可視化を可能とする可視化装置を提案している。この可視化装置は、この光強度分布を可視化することによって、光強度分布を形成する光変調素子や金属開口を調整し、また、結晶化を行う光の光軸を照射領域に位置合わせする。
本発明は、被処理基板に照射するレーザー光として紫外域のレーザー光と可視光域のレーザー光の２種類のレーザー光を用いる。紫外域のレーザー光は、被処理基板を均一照射することで被処理基板の結晶化を行う領域を溶融化する。一方、可視光域のレーザー光は、結晶化に必要なエネルギーを有するとともにパターンニングされた光強度分布を有しており、この光強度分布を溶融化された領域に重畳させることによって、溶融化された領域を結晶成長させる。
可視光域のレーザー光のアモルファスシリコン膜の吸収率は小さく、パターンニングした光強度分布を持つ可視光域のレーザー光を単にアモルファスシリコン膜に照射しただけでは、その吸収率が小さいために、結晶化させることはできない。これに対して、本発明者は、溶融化したアモルファスシリコン膜の可視光域のレーザー光の吸収率は十分に大きいことに着目し、溶融化したアモルファスシリコン膜に対して、パターンニングした光強度分布を有する可視光域のレーザー光を照射することによって、結晶化と可視化との両方の達成を可能とする。
この可視光域のレーザー光の光源は、エキシマレーザーのパルス照射時間（約３０nsec）に相当する時間内に、被処理基板の膜を破壊して結晶化を開始するに必要なエネルギー密度（臨界フルエンス）を印加する必要がある。この臨界フルエンスとしては、例えば１００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度である。
したがって、結晶化装置において、可視光線を用いて結晶化するには、高エネルギー密度の出力が得られる可視光源が求められ、この可視光源を実現化することで、結晶化と可視化との両方を同時に可能とすることができる。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、結晶化装置において、高エネルギー密度の出力が得られる可視光源を提供することを目的とする。
本発明が備える結晶化装置の態様は、被処理基板上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系と、被処理基板上において紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系とを備える。紫外光域のレーザー光の均一照射によって溶融化した領域に、可視光のレーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。本発明の結晶化装置は、紫外光域のレーザー光をパルス照射することによる溶融化と、可視光のレーザー光を連続照射することによる結晶化を組み合わせることで、結晶化を行うレーザー光の可視化を可能とするものである。
紫外光用照射系は、エキシマレーザー光源と、エキシマレーザー光源から発せられたエキシマレーザー光を基板上に均一照射する紫外光用照明光学系とを備える。紫外光用照射系は、エキシマレーザー光を基板上に均一照射することで、基板上に溶融化領域を形成する。
他方、可視光照射系は、可視光レーザー光源と、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングする光強度分布形成手段と、光強度分布形成手段でパターンニングした光強度分布の光を被処理基板上のエキシマレーザー光の照射域に結像する結像光学系とを備える。
本発明の可視光照射系は、２次元アレイ配列した複数の可視光レーザー光源によって形成する。可視光照射系は、各可視光レーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングする光強度分布形成手段と、この光強度分布形成手段でパターンニングした光強度分布の光を被処理基板上の照射域に結像する結像光学系とを備える。被処理基板と光軸上の結像位置関係にあたる光強度分布形成手段に対して、複数の固体レーザー又は半導体レーザーが発する各可視レーザー光を重畳させる。
この複数の可視光のレーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光で形成した可視光レーザー光の光強度分布を、紫外光域のエキシマレーザー光を均一照射して溶融化した照射域に照射して、エキシマレーザー光と可視光レーザー光とを重畳させる。このエキシマレーザー光と可視光レーザー光との重畳によって、エキシマレーザー光で溶融化された領域を結晶化する。このエキシマレーザー光と可視光レーザー光との重畳において、複数の可視光のレーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光を重畳し、この重畳により形成される可視光レーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。
本発明の結晶化装置は、複数の可視光レーザー光を重畳することによって、全体のビームの均一性を向上させることができ、また、照射するエネルギーのエネルギー密度を高めることができる。さらに、エキシマレーザー光の照射エネルギーと、可視光レーザー光とを重畳させることで、臨界フルエンスを最小エネルギーとした光強度調整を行うことができ、エネルギー勾配を利用した結晶の横方向成長に利用することができる。
結晶化は、溶融化された状態のアモルファスシリコン膜の可視光の吸収率が高まることを利用することによって、可視光レーザー光を照射する領域で行うことができるため、結晶化を行う領域を可視化することができる。
また、可視光照射系は、複数の可視光レーザー光源と光強度分布形成手段との間にホモジナイザを備える構成とすることができる。ホモジナイザは、複数の可視光レーザー光源と一対一で対応する複数のレンズを備える構成としてもよい。
光強度分布形成手段は、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の位相をシフトして光強度を変化させる光変調素子、あるいは、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の一部を遮蔽して光強度を変化させる金属開口とすることができる。
被処理基板はアモルファスシリコン膜を有する。エキシマレーザー光のアモルファスシリコン膜での吸収率は、可視光レーザー光のアモルファスシリコン膜での吸収率よりも大きいため、パルス照射されたエキシマレーザー光はアモルファスシリコン膜で吸収されて溶融化が行われる。一方、可視光レーザー光のアモルファスシリコン膜での吸収率は、溶融化される前の状態では小さいため、アモルファスシリコン膜の結晶化には寄与しないが、溶融化された後の状態では大きくなるため、アモルファスシリコン膜はパターンニングされた光強度分布によって結晶化される。
また、本発明の結晶化方法の態様では、被処理基板上のアモルファスシリコン膜に紫外光域のレーザー光を均一にパルス照射して溶融化し、複数の可視光レーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングし、このパターンニングした可視光のレーザー光を、溶融化した液状化シリコン領域上に重畳して照射することによって結晶成長を形成する。
本発明によれば、高エネルギー密度の出力が得られる可視光源を形成することができ、結晶化装置の光源に適用することができる。
また、結晶化装置において、被処理基板上に転写される光変調素子あるいは金属開口の作る光強度分布を可視化することができる。
また、光強度分布の可視化に基づいて光変調素子や金属開口を調整することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の結晶化装置１の構成を説明するための概略図である。図１において、本発明の結晶化装置１は、被処理基板３０上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系１０と、被処理基板３０上において紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系２０とを備える。紫外光用照射系１０は、紫外光域のレーザー光の均一照射によって被処理基板３０上の照射領域を溶融化する。可視光照射系２０は、溶融化した領域に可視光を重畳して照射することによって、可視光のレーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。
紫外光用照射系１０は、エキシマレーザー光をパルス出射するエキシマレーザー光源１１と、レーザー光を照射するＵＶ用照明光学系１２とを備え、可視光照射系２０と共有する結像光学系２４を通して被処理基板３０上にエキシマレーザー光を照射し、被処理基板３０に設けられた薄膜を溶融する。
可視光照射系２０は、可視光レーザー光を連続照射する可視光レーザー光源２１と、可視光用照明光学系２２と、可視光用照明光学系２２で照射された可視光レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子２３と、光変調素子２３の変調光を被処理基板３０上に結像させる結像光学系２４と、被処理基板３０を支持すると共に被処理基板３０上の二次元位置を定める位置決めステージ（図示していない）を備える。結像光学系２４を介して被処理基板３０に照射された変調光は、被処理基板３０に設けられた薄膜の内、紫外光用照射系１０によって溶融化された領域を結晶化する。
図２はエキシマレーザー光源と可視光レーザー光源のレーザー光の一例を説明するための図である。図２（ａ）はエキシマレーザー光の一例であり、パルス状のレーザー光が照射される。一方、図２（ｂ）は可視光レーザー光の一例であり、光強度分布されレーザー光は連続して照射される。
可視光用照明光学系２２は、可視光レーザー光源２１から射出された可視光レーザー光のビームを拡大するビーム・エキスパンダ（図示していない）や、面内の光強度を均一化するホモジナイザ（図示していない）を備え、光変調素子２３を照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する。なお、図では、ビームエキスパンダ及びホモジナイザは示していない。
光変調素子２３は位相シフタを用いることができ、結晶化用レーザー光を位相変調して所望の光強度分布、例えば、逆ピークパターンの光強度分布を有する光に変調する。また、光変調素子２３による光強度分布の調整は光変調素子駆動機構２５によって行うことができる。
結像光学系２４は、光変調素子２３により位相変調された結晶化用レーザー光を結晶化させる非単結晶半導体薄膜に縮小照射する。この縮小照射は、例えば、光変調素子２３を照明光学系２２と結像光学系２４との間に設置したプロジェクション方式によって構成することができる。
可視光レーザー光源２１は、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜、例えば、溶融化された非晶質若しくは多結晶半導体膜を結晶化するために充分なエネルギー、例えば、非単結晶半導体膜上で１Ｊ／ｃｍ２を有する光を出力する。
一方、エキシマレーザー光源１１は、短パルス、例えば、半値幅が約２５から３０ｎｓｅｃのパルス・レーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー光、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光が好ましい。エキシマレーザー光源は、例えば、発振周波数が例えば１Ｈｚから３００Ｈｚのパルス発振型である。
ビーム・エキスパンダ（図示していない）は、入射された可視光レーザー光を拡大するもので、例えば、拡大する凹レンズと平行光にする凸レンズとにより構成することができる。また、ホモジナイザ（図示していない）は、入射したレーザー光のＸＹ断面方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内の光強度分布を均一にする機能を有する。例えば、Ｘ方向シリンドリカルレンズをＹ方向に複数個並べ、Ｙ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｘ方向コンデンサ・レンズで各光束をＹ方向に重ね合わせて再分布させる。同様に、Ｙ方向シリンドリカルレンズをＸ方向に複数並べ、Ｘ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｙ方向コンデンサ・レンズで各光束をＸ方向に重ね合わせて再分布させる。ホモジナイザにより可視光レーザー光は、所定の角度広がりをもち断面内の光強度が均一化された照明光に調光される。
位相シフタは、光変調素子２３の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差をつけたものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与し、例えば、左右で１８０°の位相段差を付ける。左右で１８０°の位相段差を付けた位相シフタは、均一な強度分布の入射光を逆ピーク状の光強度分布に強度変調する。
位相シフタは、例えば、入射光を位相変調して逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されており、可視光レーザー光の位相を変調する。この結果、半導体膜を照射するレーザー光は、位相のシフト部（段差）に対応した箇所が強度変調された逆ピークパターンの光強度分布となる。
光変調素子２３の位相シフタを透過したレーザー光は、収差補正された結像光学系２４により位相シフタ（光変調素子２３）と共役な位置に設置された被処理基板３０上に、所定の光強度分布で結像する。結像光学系２４は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ2）レンズおよび合成石英レンズからなるレンズ群により構成され、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：３０ｍｍから７０ｍｍの作動距離を有する片側テレセントリックレンズである。
また、光変調素子２３に代えて金属開口を用いることができ、開口部のエッジ部の段差によって光強度分布を位相変調する。
また、結晶化の処理を受ける被処理基板３０は、一般に、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の絶縁基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ）等の保持基板に絶縁膜を介して非単結晶半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコン・ゲルマニウム膜、若しくは脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成する。
非単結晶半導体膜の膜厚は、例えば脱水素処理をした非晶質シリコン膜の場合には３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜は、非単結晶半導体膜を結晶化する際に、保持基板から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜に拡散することを防止するために、あるいは、レーザー照射によって生じるジュール熱を蓄積させる目的で設けられた膜である。
また、キャップ絶縁膜を設ける構成も知られている。キャップ絶縁膜は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜の紫外光透過特性及び断熱特性を利用して、結晶化のために非単結晶半導体膜が受光して溶融したときの熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜の蓄熱効果は、従来構成の結晶化装置において、非単結晶半導体膜の溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、本発明の結晶化装置は、溶融化と結晶化とを同一領域で行うことができるため、加熱状態を保持するために被処理基板３０の非単結晶半導体膜上の設けた絶縁膜よりなるキャップ膜を不要としても良い。
本発明の結晶化装置１は、位置決めステージ（図示していない）を備えてもよい。位置決めステージは、被処理基板３０を載置してＸＹ方向の２次元で移動自在とするＸＹステージ（図していない）の他、ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部（図示していない）を備える。ＸＹステージは、Ｘ軸方向に移動するＸ軸ステージと、Ｙ軸方向に移動するＹ軸ステージと、このＸ軸ステージ及びＹ軸ステージを支持する定盤（図示していない）を備える。ＸＹステージ上には被処理基板３０が載置され、ＸＹステージを二次元で移動させることによって、被処理基板３０の位置決めを行う。
本発明の結晶化装置１によって被処理基板３０を結晶化する場合には、ステージ駆動制御装置（図示していない）によってＸＹステージを駆動し、レーザー光を被処理基板３０上で走査して結晶化を施す。
図３は、本発明の結晶化装置に用いる可視光レーザー光源と、可視光用照明光学系の構成を説明するための断面図を示し、図５は斜視図を示している。
本発明の可視光レーザー光源２１は２次元アレイ状光源２１ａにより構成され、複数の固体レーザー光源や半導体レーザー光源等の光源ユニット２１ｂを２次元アレイ状に配列して形成される。また、２次元アレイ状光源２１ａと光変調素子２３との間の光路上には可視光用照明光学系２２が設けられる。この可視光用照明光学系２２は、被処理基板３０と光軸上の結像位置関係にあたる光変調素子２３に対して、２次元アレイ状光源２１ａの各光源ユニット２１ｂが発する各可視レーザー光を重畳させる。
図４は２次元アレイ状光源２１ａの一構成例を示している。ここでは、縦方向および横方向に５個の光源ユニット２１ｂをアレイ配列させることで、２次元アレイ状光源２１ａを形成する例を示している。なお、配列する光源ユニットの個数は５個に限らず任意に定めることができる。
また、可視光用照明光学系２２はホモジナイザ２２ａを備え、均一照明光学系を形成する。ホモジナイザ２２ａは、シリンドリカルレンズやフライアイレンズを用いることができる。図５において、光源ユニット２１ｂから発した可視光の連続レーザー光は、ホモジナイザ２２ａを通って、光変調素子２３上において被処理基板３０と光軸上の結像位置関係にあたる位置に照射される。光変調素子２３には、各光源ユニット２１ｂから発生された複数のレーザー光が重畳される。この複数の光源ユニット２１ｂからのレーザー光を重畳することによって、エネルギー密度を高めることができる他、光源ユニット２１ｂのばらつきによる変動を低減することができる。
可視光源の光源ユニット２１ｂとして、例えば、波長５３２ｎｍ、出力１５ＷのＹＡＧレーザーを用いて、この光源ユニット２１ｂを５×５のアレイ状に配列した構成において、光学系全体の伝達率を４０％としたときのエネルギー密度を試算すると以下となる。基板に投入されるエネルギーは、エキシマレーザー光の照射時間（３０nsec）で換算すると、２５（個）×１５（ｗ）×３０Ｅ-9×0.4（Ｊ）＝４５００（ｎJ）となる。このレーザー光を基板上の２ｍｍ×２ｍｍの領域に照射すると、エネルギー密度（フルエンス）は４．５／０．０４≒１１２（ｍＪ／ｃｍ２）となる。
ここで、結晶化を開始する際に膜を破壊するために必要なフルエンス（臨界フルエンス）をエキシマレーザーで２００ｍＪ／ｃｍ２と仮定する。なお、この臨界フルエンスは、被処理基板の膜構成にも依存する。
これによって、本発明の結晶化装置では、エキシマレーザーの照射エネルギーに、可視光の照射エネルギーを重畳することによって、エキシマレーザーによる２００ｍＪ／ｃｍ２の臨界フルエンスを最小エネルギー密度とし、可視光レーザー光の照射によるエネルギー密度を調整分とすることによって、２００ｍＪ／ｃｍ２〜３１２ｍＪ／ｃｍ２の範囲で光強度変調を行うことができる。
また、この光強度変調を基板の移動方向に沿って行うことによってエネルギー勾配を形成することができる。このエネルギー勾配は結晶の横方向成長に適用が可能である。
図６，図７は、エキシマレーザー光と可視光レーザー光の重畳による溶融化と結晶化を説明するための図である。
被処理基板３０は、ベース基板３１の上に絶縁膜３２と被処理膜３３としてアモルファスシリコン膜が設けられる。被処理基板３０上には、エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａとが重畳されて照射される。エキシマレーザー光１０ａはパルス照射される。エキシマレーザーは、その短波長によってアモルファスシリコン膜での吸収率が高く、被処理基板３０への進入深さは浅く、アモルファスシリコン膜を溶融化する。
一方、連続照射される可視光レーザー光２０ａはアモルファスシリコン膜での吸収率が小さいため、被処理基板３０への進入深さは深く、アモルファスシリコン膜よりも下側の層まで達し、被処理基板３０に投入されたエネルギーは分散される。
エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａとを重畳して照射すると、アモルファスシリコン膜が溶融化する前の状態では、可視光レーザー光２０ａはその吸収率が小さいためアモルファスシリコン膜の層を通過し結晶化は行われない。これに対して、アモルファスシリコン膜が溶融化した状態では、可視光レーザー光２０ａはその吸収率が大きくなるためアモルファスシリコン膜の層で吸収され、アモルファスシリコン膜の結晶化が行われる。
図６（ａ）は、エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａとを重畳して照射した状態を示し、図６（ｂ）はエキシマレーザー光１０ａの照射状態を示し、図６（ｃ）は可視光レーザー光２０ａの照射状態を示している。図６（ｂ）において、アモルファスシリコン膜３３の領域１３はエキシマレーザー光１０ａの照射によって溶融化される。図６（ｃ）において、溶融化された領域１３に可視光レーザー光２０ａが照射されることで、結晶化される。
図７は、エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａの重畳照射位置を移動させることで、被処理基板３０上の結晶化を進める状態を示している。図７（ａ）はレーザー光の照射前の状態を示し、図７（ｂ）はエキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａの重畳照射によって照射位置を結晶化し、図７（ｃ）は被処理基板３０上を移動させることによって次の照射位置にエキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａの重畳照射し結晶化を行う。
本発明の態様によれば、安価な可視光源を複数用いて２次元アレイ光源を構成することによって、単一光源のみにより光量不足を解決することができる。
従来のエキシマレーザー光による結晶化では、例えば３０ｎｍの短時間で強いパルス光を照射するため、熱を閉じ込めるためにキャップ層が必要となるが、本発明の結晶化装置の態様によれば、エキシマレーザー光で溶融化した領域を可視光レーザー光で結晶化するため、キャップ膜等の初期膜を基板上に形成する工程を省くことができる。
また、本発明の結晶化装置によれば、可視光による光変調素子を用いることによって、光強度分布の可視化および光変調素子の加工が容易となる。
また、本発明の結晶化装置によれば、光学系の光軸調整を可視光レーザー光の連続発振下で行うことができるため、装置の保守管理が容易となる。
本発明の結晶化装置１の構成を説明するための概略図である。 エキシマレーザー光源と可視光レーザー光源のレーザー光の一例を説明するための図である。 本発明の結晶化装置に用いる可視光レーザー光源と可視光用照明光学系の構成を説明するための断面図である。 本発明の２次元アレイ状光源の一構成例を示す図である。 本発明の結晶化装置に用いる可視光レーザー光源と可視光用照明光学系の構成を説明するための斜視図である。 エキシマレーザー光と可視光レーザー光の重畳による溶融化と結晶化を説明するための図である。 エキシマレーザー光と可視光レーザー光の重畳による溶融化と結晶化を説明するための図である。 ＰＭＥＬＡ結晶化による結晶化装置の一構成例を説明するための図である。
符号の説明
１…結晶化装置、１１…エキシマレーザー光源、１２…ＵＶ用照明光学系、１３…溶融領域、２１…可視光レーザー光源、２１ａ…２次元アレイ状光源、２１ｂ…光源ユニット、２２…可視光照明用光学系、２２ａ…ホモジナイザ、２３…光変調素子、２４…結像光学系、３０…被処理基板、３１…ベース基板、３２…絶縁膜、３３…被処理膜、３４…結晶化領域、１００…結晶化装置、１０１…結晶化用光学系、１１１…レーザー光源、１１２…ビームエキスパンダ、１１３…ホモジナイザ、１１４…位相シフタ、１１５…結像光学系、１２０…観察系、１３０…基板、１４０…ステージ。

Claims (5)

  1. 被処理基板上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系と、
    被処理基板上において前記紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系とを備え、
    前記可視光照射系は、２次元アレイ配列した複数の可視光レーザー光源を有し、
    前記紫外光域のレーザー光の均一照射によって溶融化した領域に、前記複数の可視光のレーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光を重畳して形成される可視光レーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成することを特徴とする、結晶化装置。
  2. 前記紫外光用照射系は、エキシマレーザー光源と、当該エキシマレーザー光源から発せられたエキシマレーザー光を基板上に均一照射する紫外光用照明光学系とを備え、
    前記可視光レーザー光源は、固体レーザー又は半導体レーザーであり、
    前記可視光照射系は、前記各可視光レーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングする光強度分布形成手段と、当該光強度分布形成手段でパターンニングした光強度分布の光を被処理基板上の前記照射域に結像する結像光学系とを備え、
    前記被処理基板と光軸上の結像位置関係にあたる光強度分布形成手段に対して、前記複数の固体レーザー又は半導体レーザーが発する各可視レーザー光を重畳させることを特徴とする、請求項１に記載の結晶化装置。
  3. 前記可視光照射系は、複数の可視光レーザー光源と光強度分布形成手段との間にホモジナイザを備えることを特徴とする、請求項２に記載の結晶化装置。
  4. 前記ホモジナイザは、複数の可視光レーザー光源と一対一で対応する複数のレンズを備えることを特徴とする、請求項３に記載の結晶化装置。
  5. 被処理基板上のアモルファスシリコン膜に紫外光域のレーザー光を均一にパルス照射して溶融化し、
    複数の可視光レーザー光源から発せられた複数の可視光レーザー光を光強度分布形成手段に重畳し、
    当該光強度分布形成手段によって重畳した可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングし、
    当該パターンニングした可視光のレーザー光を、前記溶融化した液状化シリコン領域上に重畳して照射することによって結晶成長を形成することを特徴とする、結晶化方法。
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