JP2009060041A - 結晶化方法および結晶化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶成長時間を十分に長くして、大粒径の結晶を得ることができる半導体膜の結晶化方法、及び結晶化装置を提供すること。
【解決手段】レーザ発振器から発振されたパルスレーザ光を、分割し、互いに光路長の異なる光路を進んだ後に合成する工程、合成されたパルスレーザ光を位相変調素子により所定の光強度分布を有するパルスレーザ光に変調する工程、及び前記所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶膜に照射し、非単結晶を結晶化する工程を具備し、前記パルスレーザ光を分割し、合成する工程は、順番に配列された３つ以上の光学的分割・合成手段において、１つの光学的分割・合成手段により分割された一方のパルスレーザ光を、次の分割・合成手段により順次分割するとともに、１つの光学的分割・合成手段により分割された他方のパルスレーザ光を前の分割・合成手段により分割された他方のパルスレーザ光と合成することを特徴とする結晶化方法。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体膜の結晶化方法および結晶化装置に係り、特に、アモルファスシリコン膜のような非単結晶半導体膜にパルスレーザ光を照射して結晶化半導体膜を形成するための結晶化方法および結晶化装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）表示装置等では、スイッチング素子として画素ごとに薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が設けられ、また、駆動回路にもＴＦＴが使用されている。移動度の向上、閾値電圧の減少、特性ばらつきの減少など、ＴＦＴの性能が向上すると、回路の高速化、低消費電力化、高画質化などの効果が生ずる。多晶質シリコンのＴＦＴは、非晶質シリコンに比べて移動度が高いため、広く実用化されている。

多結晶シリコン薄膜の形成には、非晶質シリコンにエキシマレーザ光を照射して当該領域を溶融し、結晶化するエキシマレーザアニール（ＥＬＡ）法が実用化されている。この方法では、被処理基板が非晶質シリコンの溶融温度まで上昇するが、狭い領域に瞬間的な加熱温度となるため、被処理基板に熱損傷を与えずに非晶質シリコンを結晶化することが出来る。そのため、被処理基板として安価なガラス基板を使用することが出来るとともに、粒径０．１から１μｍ程度の多結晶シリコンを形成することができる。

このようにして得られた多結晶シリコン薄膜にＴＦＴを形成した場合、ＴＦＴのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれ、移動度は１００〜２００ｃｍ^２／Ｖｓ程度となり、単結晶Ｓｉに形成されたＭＯＳトランジスタと比較すると大幅に劣る。

本発明者等は、先に、非晶質シリコン層にレーザ光を照射することにより少なくとも１個の薄膜トランジスタのチャネル部分を形成できる程度に大きな結晶粒を形成する工業的技術を開発している。単一の結晶粒内にＴＦＴを形成することは、チャネル領域内に結晶粒界が形成された従来のトランジスタと異なり、結晶粒界の悪影響がなく、ＴＦＴ特性が大幅に改善されるという利点がある。このような結晶化方法として、本発明者等は、例えば非特許文献１や特許文献１などに記載された結晶化方法を提案している。

前者の非特許文献１には、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ_２キャップ膜やＳｉＯ_２キャップ膜を介して非晶質シリコン膜にフルエンス０．８Ｊ／ｃｍ^２の位相変調したレーザ光を照射することにより、膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。

また、後者の特許文献１には、光吸収特性を有する非化学量論的な酸化シリコン、ＳｉＯｘ膜(ｘは２未満)をキャップ膜に用いて、位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。
W. Yeh and M. Matsumura Jpn.Appl.Phys.Vol.41(2002)1909. 特開２００５−０７６１９０号公報

しかしながら、非特許文献１の方法において光透過性のＳｉＯ_２キャップ膜を用いる場合、キャップ膜自体の発熱はなく、シリコン層の冷却を抑制する効果はあるものの不十分である。その結果、結晶成長に適した温度を維持せずに結晶成長時間を長くすることができない。得られる結晶組織の粒径も大きくならない。

また、非特許文献１および特許文献１における、光吸収性のＳｉＯＮあるいはＳｉＯｘキャップ膜では、膜中の酸素原子と窒素原子の比率や、シリコン原子と酸素原子の比率を変化させることにより、光の吸収スペクトルが変化する。即ち、成膜条件のわずかな違いにより吸収特性が大きく変わってしまう。その結果、基板ごと、または基板面内の結晶粒にばらつきが生じて、回路の動作不良や表示ムラなどの不良が発生しやすいという問題がある。

さらに、いずれの方法においても、加熱光源としてエキシマレーザを使用した場合には、レーザ光のパルス幅が短く、すなわち加熱時間が短いため、レーザ光照射後にシリコン膜の温度が急激に減少してしまい、結晶成長時間を十分に長くすることができない。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、結晶成長時間を十分に長くして、大粒径の結晶を得ることができる半導体膜の結晶化方法、及び結晶化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、レーザ発振器から発振されたパルスレーザ光を、分割し、互いに光路長の異なる光路を進んだ後に合成する工程、合成されたパルスレーザ光を位相変調素子により所定の光強度分布を有するパルスレーザ光に変調する工程、及び前記所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶膜に照射し、非単結晶を結晶化する工程を具備し、前記パルスレーザ光を分割し、合成する工程は、順番に配列された３つ以上の光学的分割・合成手段において、１つの光学的分割・合成手段により分割された一方のパルスレーザ光を、次の分割・合成手段により順次分割するとともに、１つの光学的分割・合成手段により分割された他方のパルスレーザ光を前の分割・合成手段により分割された他方のパルスレーザ光と合成することを特徴とする結晶化方法を提供する。

このような結晶化方法において、前記非単結晶半導体膜の基板とは反対の面に、光透過性または光吸収性のキャップ層を設けることができる。この場合、前記光透過性キャップ層は、ＳｉＯ_２からなり、５０ｎｍ〜６５０ｎｍの厚さを有するものとすることができる。

前記光学的分割・合成手段として、部分透過ミラー又は偏光ビームスプリッターを用いることができる。

前記レーザ発振器から発振されるレーザ光は、波長が２４８nm以上であり、半値全幅が１５ｎｓ〜３０ｎｓであって、前記レーザ光が分割された後、合成されて、前記非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光の光強度は、前記非単結晶半導体膜を溶融した後、非単結晶半導体膜から基板あるいはキャップ層へ拡散する熱を補うように、時間的に変化するものとすることができる。

前記光学的分割・合成手段は、部分透過ミラーであって、これらの部分透過ミラーは、光路上でレーザ発振器に近い方から数えて１番目の部分透過ミラーの反射率Ｒ１が０．3以上０．６以下であって、２番目以降ｎ番目までの部分透過ミラーの反射率は、Ｒ２＜（Ｒ１／３）、かつ、Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜・・・＜Ｒｎであって、ｎ番目の部分透過ミラーの後段に全反射ミラーが設置されており、隣接するミラーとの光路長は、２２５０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下とすることができる。Ｒ１が０．３未満の場合は、１番目の部分反射板で反射するレーザ光の強度が弱く、非単結晶半導体膜を溶融するために必要なエネルギーに達せず、効率的でない。Ｒ１が０．６を超えると、２番目以降のミラーに達するレーザ光の強度が弱く、非単結晶半導体膜から基板あるいはキャップ層へ拡散する熱を補う効果が薄れる。２番目以降ｎ番目までの部分透過ミラーの反射率を、Ｒ２＜（Ｒ１／３）、かつ、Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜・・・＜Ｒｎとすることにより、非単結晶半導体膜から基板あるいはキャップ層へ拡散する熱を効果的に補うことができる。

前記部分透過ミラーは７枚で構成され、光路上でレーザ発振器に近い方から数えてｎ番目の部分透過ミラーの反射率Ｒｎは、Ｒ１＝０．５６±０．０３、Ｒ２＝０．０７±０．０３、Ｒ３＝０．１４±０．０３、Ｒ４＝０．１７±０．０３、Ｒ５＝０．２５±０．０３、Ｒ６＝０．３５±０．０３、Ｒ７＝０．４５±０．０３であって、反射率Ｒ７の部分透過ミラーの次に全反射ミラーが配置されており、これら７枚の部分透過ミラーと１枚の全反射ミラーは、隣接するミラーとの光路長が４５００ｍｍ離れて設置されており、１番目の部分透過ミラーを透過した光は２番目の部分透過ミラーへ入射され、１番目の部分透過ミラーで反射した光は照明光学系へ導入され、２番目の部分透過ミラーを透過した光は３番目の部分透過ミラーへ入射され、２番目の部分透過ミラーで反射した光は１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入され、以下、ｎ番目の部分透過ミラーを透過した光はｎ＋１番目の部分透過ミラーへ入射され、n番目の部分透過ミラーで反射した光はｎ−１、ｎ−２ ・・・、１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入され、ただし７番目の部分透過ミラーを透過した光は全反射ミラーで反射されて７、６、・・・、１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入されるものとすることができる。

ｎ番目の部分透過ミラーの反射率Ｒｎは、Ｒ１＝０．４０±０．０３、Ｒ２＝０．０７±０．０３、Ｒ３＝０．０８５±０．０３、Ｒ４＝０．０９５±０．０３、Ｒ５＝０．１２５±０．０３、Ｒ６＝０．０１７±０．０３、Ｒ７＝０．２５±０．０３とすることができる。

前記所定の光強度分布を有するパルスレーザ光への変調は、前記非単結晶半導体膜に前記パルスレーザ光が照射された際に、V字形光強度分布により１次元的に結晶が成長するように行なわれる場合と、前記非単結晶半導体膜の少なくとも一部に単一の結晶核を発生させ、該単一結晶核から２次元的に結晶が成長するように行われる場合とがある。

本発明の第２の態様は、パルスレーザ光を発振するレーザ発振器、前記発振されたパルスレーザ光を分割し、互いに光路長の異なる光路を進んだ後に合成する光学的分割・合成手段、合成されたパルスレーザ光を所定の光強度分布を有するパルスレーザ光に変調する位相変調素子、及び前記所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶膜に照射する結像光学系とを具備し、前記パルスレーザ光を分割し、合成する光学的分割・合成手段は、３つ以上配列され、分割された一方のパルスレーザ光を、下流の分割・合成手段により順次分割するとともに、分割された他方のパルスレーザ光を上流の分割・合成手段に戻し、分割された他方のパルスレーザ光と合成することを特徴とする結晶化装置を提供する。

以上の本発明の第１及び第２の態様において、前記光学的分割・合成手段を、３〜１２個、配列することができる。

本発明によれば、３つ以上の光学的分割・合成手段によりパルス幅が拡張されたパルスレーザ光を非単結晶半導体膜に照射することにより、非単結晶半導体膜への照射時間は延長され、それによって半導体の溶融時間が長くなり、結晶成長の距離が長くなり、大粒径の結晶を得ることが可能である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の一実施形態に係る結晶化方法は、非単結晶半導体膜に、パルスレーザ光を照射して照射部を結晶化する結晶化方法であって、パルスレーザ光は、レーザ発振器から発振された後、少なくとも３つの部分透過ミラーや偏光ビームスプリッターなどの分割・合成光学素子において、複数のレーザ光に分割され、分割されたパルスレーザ光は互いに光路長の異なる光路を進んだ後に再び合成され、照明光学系を経て、位相変調素子により所望の光強度分布に変調された後、投影光学系を経て、非単結晶半導体膜に照射され、非単結晶半導体膜を結晶化するものである。

ここで、レーザ発振器から発振されるパルスレーザ光として、波長が２４８nm以上であり、半値全幅が１５ｎｓ〜３０ｎｓであるものを用いることができる。

非単結晶半導体膜には、必要に応じてキャップ層を設けることができる。キャップ層は、その半導体膜を支持する基板とは反対の面に設けられた光透過性または光吸収性の膜である。光透過性のキャップ層は、ＳｉＯ_２からなり、その厚さが５０ｎｍから６５０ｎｍであることが望ましい。ＳｉＯ_２膜は、従来のＳｉＯｘ膜などの光吸収性キャップ膜と比較して安定に成膜できるため、結晶化した半導体膜の品質のばらつきを少なくすることができる。

光強度の時間的変化については、非単結晶半導体膜から基板、あるいは基板とキャップ層の両方へ拡散する熱を補うように光を持続させることが重要であり、本実施形態では、これを達成するために、３つ以上の分割・合成光学素子を用いた。これにより、パルスレーザ光のパルス幅が拡張され、パルスレーザ光の照射時間が延長される。このように延長されたパルスレーザ光の照射時間中、半導体膜は上限に近い温度に保たれるのと同時に、基板とキャップ層の温度が上昇し、光照射終了後の熱拡散が緩やかになる。その結果、半導体膜の冷却速度は遅くなり、溶融時間は長くなり、よって結晶成長距離が長くり、大粒径の結晶を得ることができる。

光強度分布については、位相変調素子により逆ピーク状の分布を形成し、光強度が位置に対して連続的に変化するものを用いる。１次元結晶の場合と２次元結晶の場合でその光強度分布を選択することができる。

次に、本発明の基本的原理について、光分割・合成光学素子として、２つの偏光ビームスプリッタを備える結晶化装置を例に挙げて説明する。本発明は、３つ以上の光分割・合成光学素子を用いるものであり、それによって、２つの光分割・合成光学素子を用いた場合に比べ、特に顕著なパルス幅拡張効果が得られるのであるが、その基本的原理は、２つの光分割・合成光学素子を用いた場合と同様である。

図１に示す結晶化装置１は、プロジェクション方式の照射装置であり、位相変調素子２、照明系３、結像光学系４および基板ステージ６を備えている。基板ステージ６の上には被処理基板５が載置され、パルスレーザ光が照明系３→位相変調素子２→結像光学系４の順に通って被処理基板５に照射されるようになっている。被処理基板５の被照射面には結晶化対象膜としての非単結晶半導体膜（例えばアモルファスシリコン膜）およびキャップ膜（例えば酸化シリコン膜）が被覆形成されている。

位相変調素子２は、照明系３と結像光学系４の間に設けられ、所定の段差を有し、段差のところでレーザ光線群にフレネル回折を起こさせ、入射光束の位相を変調するものである。これによりパルスレーザ光は、結晶化対象膜を最適に溶融・結晶化させるための所望のプロファイルを有するものとなる。

照明系３は、被処理基板５の非単結晶半導体を溶融させるためのエネルギ光を出力する光源３１としてＸｅＣｌエキシマレーザ発振器を備えている。この光源３１は、波長が３０８ｎｍ、パルス幅（半値幅）が３０ｎｓのパルスレーザ光を発振する固有の特性を有している。なお、図１に示す例では、光源３１として、ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器の例について説明するが、これ以外の他の光源としてＫｒＦエキシマレーザ発振器、ＡｒＦエキシマレーザ発振器またはＹＡＧレーザ発振器などを用いることもできる。

さらに、照明系３は、光源３１に続いて、光分割手段としてのビームスプリッタ３２、レーザ強度調整手段としての２つのアッテネータ３３，３５、光合成手段としてのビームスプリッタ３４、および位相変調素子２に対向して配置される照明光学系３７を備えている。光源３１から出射されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ３２によりＰ偏光成分Ｐ１とＳ偏光成分Ｐ２とに分割され、Ｐ偏光成分Ｐ１は光源３１の光軸に沿って直進して第１のアッテネータ３３を通って光合成手段としてのビームスプリッタ３４に入射する一方で、Ｓ偏光成分Ｐ２は光源光軸に直交する方向に進んで第２のアッテネータ３５を通って光合成手段としてのビームスプリッタ３４に入射する。

この場合、直進するＰ偏光成分Ｐ１を短いレーザ光路に通過させて先行させ、直交方向のＳ偏光成分Ｐ２を（例えば１０ｍの光路長差をもつ）長いレーザ光路に通過させて前者よりも僅かに遅れさせる。Ｐ偏光成分Ｐ１とＳ偏光成分Ｐ２の光強度分布は、ピーク値を有する正弦波状の光強度分布である。このＰ偏光成分Ｐ１に対するＳ偏光成分Ｐ２の遅延時間は、Ｐ偏光成分Ｐ１光の照射領域内であって減衰する光強度分布光の位置内にＳ偏光成分Ｐ２光を照射することである。

これらのＰ偏光成分とＳ偏光成分は、減衰器（アッテネータ）などのレーザ強度調整手段３３により、所望のパルス強度比Ｐ１／Ｐ２に設定される。さらに、Ｐ偏光成分Ｐ１とＳ偏光成分Ｐ２は、例えば偏光ビームスプリッタ３４などの光合成手段により合成されて、図２に示すように、幅広のパルス波形の合成光Ｐ３となる。この合成光Ｐ３は、１つのパルスレーザ光として、位相変調素子および結像光学系を通過し、最終的に被処理基板上の非単結晶半導体膜に入射される。

この合成光Ｐ３の受光面は、溶融し、パルスレーザ光が遮断された後の降温期間内の凝固過程において結晶化される。この場合に、合成光Ｐ３のパルス幅（半値幅）を基準光パルス幅（半値幅）の１．１〜２．５倍の範囲とすることが好ましい。合成光Ｐ３のパルス幅が１．１倍を下回ると幅広のパルス光を照射するという発明の効果が失われ、２．５倍を上回ると１パルス光としてのまとまりが低下して均一に溶融・結晶化させることができなくなるからである。

換言すれば、合成光Ｐ３の受光面とは、基板ステージ６上に載置された被処理基板５が予め定められた速度で例えばＸ軸方向に移動している状態で、まずＰ偏光成分Ｐ１光により被処理基板５を照射し、上記遅延時間後に、Ｓ偏光成分Ｐ２光により被処理基板５を照射することである。

その結果、合成光Ｐ３の受光面は、光源から出射されたレーザ光Ｐよる受光面より図２に示すように広範囲となる。この分、結晶化領域は、広くなる。図２の光強度分布は、光合成手段３４の出射光の光強度分布を示している。以上の結果、レーザ光源３１から一発のレーザ光で大きな結晶化領域を形成することができる。

図１に示す例では、説明上、パルスレーザ光の光学的分割・合成手段として、２つのビームスプリッタ３２，３４を用いているが、本発明では、パルスレーザ光の光学的分割・合成手段を３つ以上、好ましくは３〜１２個用いる必要がある。このように、３つ以上の光学的分割・合成手段を用いることにより、よりパルス幅の広いパルスレーザ光を得ることができる。なお、１２個を超える光学的分割・合成手段を配置すると、装置が複雑かつ大型となり、コストが高くなるので好ましくない。

光分割・合成手段には、装置コストや性能の安定性などを総合的に勘案して、偏光ビームスプリッタまたはハーフミラーまたはこれらの組合せから選ぶことができる。偏光ビームスプリッタを用いる場合の光の分割角度は、５°〜１７５°の範囲において任意の値に設定できるが、装置の構造が簡易であり、周辺機器との取り合いのレイアウト設計が容易であることなどの理由から９０°±１°とすることが好ましい。

次に、図３を参照して照明光学系３７の詳細について説明する。

照明光学系３７に入射した合成光Ｐ３は、ビームエキスパンダ３ａを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｂに入射する。こうして、第１フライアイレンズ３ｂの後側焦点面には複数の小光源が形成され、これらの複数の小光源からの光束は、第１コンデンサー光学系３ｃを介して、第２フライアイレンズ３ｄの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ３ｄの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｂの後側焦点面よりも多くの複数の小光源が形成される。

第２フライアイレンズ３ｄの後側焦点面に形成された複数の小光源からの光束は、第２コンデンサー光学系３ｅを介して、位相変調素子２を重畳的に照明する。ここで、第１フライアイレンズ３ｂおよび第１コンデンサー光学系３ｃは、第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより光源３１から供給されたレーザ光について位相変調素子２上での入射角度に関する均一化が図られる。

第２フライアイレンズ３ｄおよび第２コンデンサー光学系３ｅは、第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について位相変調素子２上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。こうして、照明系３は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により位相変調素子２を照明する。

次いで、位相変調素子２で位相変調されたレーザ光は、逆ピークパターン状の光強度分布の光である。逆ピークパターン状の光強度分布とは、１発のレーザ光のビーム径内において最小光強度値と最大光強度値を連続して光強度が変化する分布である。最小光強度値は、被処理基板における非単結晶半導体膜の融点以下の温度に設定される。結像光学系４を介して、被処理基板５に入射する。

ここで、結像光学系４は、位相変調素子２のパターン面と被処理基板５（厳密には非単結晶半導体膜の上面）とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板５は、位相変調素子２のパターン面と光学的に共役な面（結像光学系４の像面）に設定されている。結像光学系４は、前正レンズ群４ａと後正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。開口絞り４ｃは、たとえば開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りからなり、これらの複数の開口絞り４ｃは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り４ｃとして、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを用いてもよい。いずれにしても、開口絞り４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板５の半導体層上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。この結像光学系４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。

最終的に、合成光Ｐ３は、被処理基板５の非晶質薄膜上に結像される。これにより、非晶質薄膜が溶融され、凝固する過程で結晶化される。被処理基板５は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地膜および非晶質シリコン膜（半導体層）およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁材、例えばＳｉＯ_２で形成されており、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してガラス基板内のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止すると共に、非晶質シリコン膜の溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜であり、非単結晶膜で、非晶質半導体膜や多結晶半導体などである。

非単結晶膜は、上記半導体膜に限定されることはなく、非単結晶の金属などの非単結晶材料で形成されている膜でも良い。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ2膜が、好ましくは、成膜されている。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、キャップ膜がなければ光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板５は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ６上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持される。

次に、本発明の一実施形態に係る結晶化方法及び結晶化装置の概略について、図４を参照して説明する。

図４に示す結晶化装置は、レーザ光源、７枚の部分透過ミラーＲ１〜Ｒ７、全反射ミラー、照明光学系、位相変調素子、投影光学系、及び基板ステージを備えている。基板ステージ上には、非単結晶半導体膜を有する被処理基板が載置されている。

レーザ光源からのパルスレーザ光が、部分透過ミラー及び全反射ミラー、照明光学系、位相変調素子、及び投影光学系を通って、被処理基板に照射されるようになっている。

レーザ発振器により発振されるパルスレーザ光としては、波長３０８ｎｍ、半値全幅約２５ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザを使用した。レーザ発振器から発振したレーザ光は、７枚の部分透過ミラーと１枚の全反射ミラーと、これらの光学素子の互いの距離と光路を好適に設定するための全反射凹面鏡からなる光学装置に導入される。部分透過ミラーの反射率Ｒｎは、光路上の位置がレーザに近い順に、 Ｒ１＝０．４０、Ｒ２＝０．０７、Ｒ３＝０．０８５、Ｒ４＝０．０９５、Ｒ５＝０．１２５、Ｒ６＝０．１７、Ｒ７＝０．２５とした。反射率Ｒ７の部分透過ミラーの後段には全反射ミラーを設置した。隣のミラーとの光路長は、４５００ｍｍとした。

なお、本実施形態では、全反射の凹面鏡の間に部分透過ミラーを設けたが、凹面鏡の代わりに平板のミラーを使用してもよいし、図４に示すように、これらのミラーを用いずに部分透過ミラーを直線的に配置してもよい。

以上のような図４に示す結晶化装置において、７枚の部分透過ミラーによるパルスレーザ光の透過・反射は、次のようにして行われる。即ち、１番目の部分透過ミラーＲ１を透過した光は２番目の部分透過ミラーＲ２へ入射され、１番目の部分透過ミラーＲ１で反射した光は照明光学系へ導入され、２番目の部分透過ミラーＲ２を透過した光は３番目の部分透過ミラーＲ３へ入射され、２番目の部分透過ミラーＲ２で反射した光は１番目の部分透過ミラーＲ１を経て照明光学系へ導入され、以下、ｎ番目の部分透過ミラーを透過した光はｎ＋１番目の部分透過ミラーへ入射され、n番目の部分透過ミラーで反射した光はｎ−１、ｎ−２ ・・・、１番目の部分透過ミラーＲ１を経て照明光学系へ導入される。

なお、７番目の部分透過ミラーＲ７を透過した光は全反射ミラーで反射されて７、６、・・・、１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入される。

このような透過・反射の繰り返しにより、パルス幅は拡張され、被処理基板への照射時間は延長される。その結果シリコン膜の温度が最高に達した時刻において、パルス幅を拡張しない場合よりも多くの熱がシリコン膜からキャップ膜及び下地SiO₂層に拡散し、これらの温度が上昇している。それによってシリコン膜の冷却速度が遅くなり、シリコン膜の溶融時間は長くなり、結晶成長の距離が長くなる。その結果、大粒径の結晶を得ることができる。

これに対し、このようなパルスレーザ光の波形の制御がされない場合には、シリコン膜の温度が最高に達した時刻においてキャップ膜と下地SiO₂層に拡散している熱量が少ない。このためシリコン膜の冷却速度は波形制御した場合に比べて速く、よってシリコン膜の溶融時間が短くなり、結晶成長距離が短くなる。

これらの様子を示すものとして、図５に、レーザ光照射直後の試料断面の温度分布を図示する。なお、図５（ａ）はパルスレーザ光の波形の制御がされない場合、図５（ｂ）はパルスレーザ光の波形の制御がされた場合をそれぞれ示す。

以下、本発明の実施例を示し、本発明について具体的に説明する。

実施例１
本実施例は、パルスレーザ光を使用して、上面にキャップ膜を形成した非晶質シリコン膜を結晶化した例である。

石英基板上にＰＥＣＶＤ法により成膜した、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜を６００℃に加熱して、膜中の水素含有量を減らした試料を用いた。図４に示すような結晶化装置を用い、７枚の部分透過ミラーにより波形制御を行い、位相変調素子により所望の光強度分布としたパルスレーザ光を試料に照射して、非晶質シリコン膜を結晶化した。

図６は、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜上にキャップ膜として５０ｎｍ〜５５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜した試料に対して、位相変調素子によるＶ字形光強度分布のパルスレーザ光を照射して得られた針状結晶の粒長（μｍ）を示している。また同図では、後に実施例２で説明するキャップ層がない試料についても、その結果を示している。

図６から、部分透過ミラーにより波形制御を行なわない従来技術では、粒長の最大は７．５μmであるのに対し、７枚の部分透過ミラーにより波形制御を行なった本実施例では、最大２５μmの結晶粒が成長している。

この現象について、非晶質シリコン膜上に５５０ｎｍのキャップ層を形成した場合について説明する。図７（ａ）に時間によるレーザ強度の変化、即ちパルス波形を示し、図７（ｂ）にシリコン膜の過渡温度変化を示す。これらは計算値であり、またスケールはいずれも任意目盛である。パルス波形は、図４においてレーザ光が照明光学系に入射する直前の位置、あるいは照明光学系より下流の位置において、散乱光をフォトダイオードなどのセンサーで検出し、その出力を高速オシロスコープで取り込むことによって測定することができる。

図７（ｂ）のシリコン膜の温度は、位相変調素子により得たＶ字形光強度において光強度が最も高い場所の温度を示している。温度が最高に達すると、光強度のもっと弱いところ、即ち約５０％の光強度の場所で結晶核が発生し、横方向結晶成長を開始する。なお結晶核の発生する位置は、シリコン膜が完全溶融する閾値に相当する。

本実施例においては、横方向成長が開始した後においても、所定時間、パルスレーザ光の強度が維持されていることが図７（ａ）、（ｂ）からわかる。その間、シリコン膜から基板およびキャップ層への熱の拡散が生じるが、その熱を補うべくパルスレーザ光が照射されるように、部分透過ミラーの透過率を設定している。

このように、パルスレーザ光の照射時間が長いため、シリコン膜の温度が最高に達した後のシリコン膜の冷却速度下は、波形制御を行なわない従来技術に比較して遅くなる。そのため、シリコン膜の溶融時間が従来技術よりも長くなり、結晶成長の距離が長くなる。

シリコン膜の温度が下がるのと同時に結晶成長が進むが、パルスレーザ光のV字形光強度において光強度が最も高い場所の温度が、シリコン膜が完全溶融する閾値まで下がるとそこでランダムな核発生が生じて、横方向の結晶成長が停止する。

以上のことから、図７（ｂ）を用いて結晶成長の時間を求めることができる。文献（Y.Takami et.al 210th ECS(2006) E-15(TFT-8)）より、結晶成長速度を１３ｎｍ／ｓと仮定すると、結晶成長距離は、約２２μmとなり、図6に示す結果と良く一致している。

一方、図8に、波形制御を行なわない従来技術におけるシリコン膜の過渡温度変化を示している。本実施例と同様の計算を行なうと、結晶成長距離は約７．５μmと求まり、図6に示す結果とほぼ合致する。なお、図８の横軸は任意単位であるが、図７(b)の横軸と対応している。

先に述べたように、図6はV字形光強度分布を用いた場合の結晶粒長を示している。本発明者らは、位相変調素子で形成したV字形光強度分布の代わりに、メタルマスクで形成したステップ状光強度分についても同様の実験を行い、キャップ層がある場合とない場合の結晶粒長を調べた。その結果、キャップ層がある試料に対してステップ状光強度分布のパルスを照射した場合には、パルス波形制御をしない場合で２．８μm、パルス波形制御をした場合で9μmとなった。

以上のように、位相変調素子を用いた場合には、メタルマスクによってステップ状の光強度分布を形成した場合に比べて２倍以上長い結晶粒を得ることが出来た。この理由を図９を用いて説明する。図９（ａ），（ｂ）は、位相変調素子を用いた場合の光強度分布、および過渡温度変化をそれぞれ示している。図９（ｃ），（ｄ）は、メタルマスクを使用した場合の光強度分布と過渡温度変化をそれぞれ示している。

位相変調素子を用いた場合には、時刻ｔ_０において、ｘ＝ｘ_ｃの温度が結晶核発生の臨界温度Tｃ、ｘ＝Lの温度がシリコン膜の最高温度Tmaxになっている。時刻がｔ_１、ｔ_２、ｔ_３と進むにつれて、光強度が弱くなる様子を示している。過渡温度変化の図では、ｘ＝ｘ_ｃ、ｘ_１、ｘ_２、Lにおける温度の時間的変化を示している。位相変調素子を用いた場合には、時刻ｔ_０に位置ｘ_ｃで発生した結晶核から結晶が横方向成長を開始し、時刻ｔ_１では位置x_１まで結晶成長している。時刻が進むにつれて結晶が成長し、位置Lの温度がTｃに下がる時刻ｔ_３まで結晶成長が持続する。すなわち、結晶粒は時刻ｔ_０からｔ_３にかけて成長する。

一方、メタルマスクを使用した場合には、時刻ｔ_０において、位置ｘ_ｃの温度がTｃになっており、位置ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３の温度はTｍａｘになっている。時刻ｔ_０に位置ｘ_ｃで発生した結晶核は、温度の高い方向（同図の右側）へ向かって成長しようとするが、時刻ｔ_１では、ｘ_１における温度は依然としてTｃよりも高く、固化することができない、すなわち横方向に結晶成長することができない。位置ｘ_１の温度がTｃに下がるのは時刻ｔ_３であり、この時刻でようやく結晶が位置ｘ_１まで成長する。しかし時刻ｔ_３には、位置ｘ_２、ｘ_３の温度がTｃまで下がっている。よって、これらｘ_２、ｘ_３の位置ではランダムな核発生が生じて、微小な結晶粒が多数発生していて、横方向成長は終了してしまう。

このように、位相変調素子を使用した場合は、メタルマスクを使用した場合に比べて横方向成長の距離を伸ばすことができる。

実施例２
本実施例では、非晶質シリコン膜の上部にキャップ膜を設けないことを除いて、実施例１と同様にして、非晶質シリコン膜を結晶化した。

その結果、図6に示すように波形制御を行なわない従来技術のパルスレーザで結晶化した場合、粒長約２．５μmの結晶粒しか得られなかった。一方、本実施例では、結晶粒の粒長は約１１μｍであった。

実施例１と同様に、本実施例と従来技術の場合について結晶成長距離を計算したところ、従来技術では約２μｍ、本実施例では１３μｍとなり、図６の結果と良く一致した。

このように、本実施例によれば、エキシマレーザを用いた結晶化において、キャップ層を設けない場合でも粒長１０μｍ以上の結晶粒が得られることがわかる。従来、ＴＦＴを作製する場合には、結晶化した後にはキャップ層をエッチングで剥離して除去する工程が必要であった。しかし本実施例によれば、キャップ層がなくても大粒径の結晶粒を形成できるため、キャップ層を成膜する工程と、結晶化後にこれを除去する工程は不要である。このことは、ＴＦＴやそれを用いたＬＣＤ、ＯＬＥＤ等の製品の量産において、製造コストや歩留まりの面で非常に有利である。

実施例１、２で示したように、キャップ膜の有無によって結晶粒長が異なる。これは、図1０によって理解することができる。すなわち、キャップ膜がない場合（図１０（ａ））には、シリコン膜に吸収された熱は下地ＳｉＯ_２側(基板側)のみに拡散する。一方キャップ膜が有る場合（図１０（ｂ））には、シリコン膜に吸収された熱がキャップ膜と下地ＳｉＯ_２の両方に拡散する。キャップ膜に拡散した熱は、時間が経過すると再度シリコン膜へ拡散する。このため、キャップ膜がある場合の方が、シリコン膜の溶融時間が延びて、結晶粒長が長くなる。

実施例１，２で示したキャップ膜の有無の各場合において、結晶粒長のエネルギー密度依存性を図１１に示す。キャップ膜５５０ｎｍの場合において２０μｍ以上の結晶粒を得ようとした場合には、エネルギー密度マージンは１５０ｍＪ／ｃｍ^２以上ある。同様に、キャップ膜がない場合において１０μｍ以上の結晶粒を得ようとした場合のエネルギー密度マージンも１５０ｍＪ／ｃｍ^２である。したがって、レーザのパルスごとのエネルギーばらつきに対しても十分なマージンが有ると考えられる。

実施例１，２で示したキャップ膜の有無の各場合の結晶について、ＳＥＭイメージおよびＳＥＭ−ＥＢＳＰ解析を行なった結果、波形制御をした場合には、波形制御しなかった場合に比べて１次元結晶（針状結晶）の粒幅が広いことが分かった。

実施例３
本実施例では、大粒径に成長する結晶粒について、その結晶核の発生を制御し、結晶粒が２次元的な広がりを持つものに関するものである。

膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜の上面にキャップ層として５５０ｎｍのＳｉＯ_２を形成した試料を使用し、結晶粒が２次元的に成長するように設計した位相変調素子を使用したことを除いて、実施例１と同様にして非晶質シリコン膜を結晶化した。

結晶粒が２次元的に成長するとは、単一の結晶核から成長を開始した結晶粒が２次元的に成長し、擬似的な単結晶とみなせるものである。波形制御を行なわない従来技術でこのような位相変調素子を使用すると、例えば５μｍ角程度の大きさの結晶粒が形成される。これに対し、本実施例における波形制御を行なったパルスレーザを照射すると、５μｍ×２０μｍ、あるいは２０μｍ×２０μｍ程度の結晶粒を形成することができる。図１２に一例として５μｍ×１０μｍの結晶粒のＳＥＭ像を示す。

また、キャップ層のない試料構造においても、針状結晶で結晶粒径が拡大したのと同様、２次元的な擬似単結晶の粒径を拡大することができる。

このように、本実施例によれば、実施例１、２で示したような１次元の針状結晶ばかりでなく、２次元の擬似単結晶シリコンの粒径拡大にも効果がある。1次元結晶か2次元結晶かの選択、あるいはその結晶サイズの選択は、位相変調素子の設計により自由に変更することができる。

本発明の基本的原理を説明するためのパルスレーザ照射による結晶化装置の全体の概要を示す構成ブロック図。 分割及び合成されたパルスレーザ光の光強度分布を示す図。 図１に示す装置の光学系を示す構成ブロック図。 本発明の一実施形態に係る結晶化装置を示す構成ブロック図。 レーザ照射直後の試料断面の温度分布を示す図。 非晶質シリコン膜上のキャップ膜の膜厚と、パルスレーザ光を照射して得られた針状結晶の粒長（μｍ）との関係を示す特性図。 実施例１における時間によるレーザ強度の変化を示す特性図。 実施例１におけるパルスレーザ光の照射によるシリコン膜の温度変化を示す特性図。 位相変調素子およびメタルマスクを使用した場合の光強度分布と過渡温度変化を示す図。 キャップ膜がある場合とない場合の試料断面の過渡温度分布を示す図。 波形制御した場合の１次元結晶の粒長とレーザのエネルギー密度との関係を示す図。 実施例３における単一成長核から成長した２次元結晶のＳＥＭ像。

符号の説明

１…パルスレーザ照射装置、２…位相変調素子、３…照明系、４…結像光学系、５…被処理基板、６…基板ステージ、３１…レーザ光源、３２…ビームスプリッタ（光分割手段）、３３，３５…アッテネータ（光強度調整手段）、３４…ビームスプリッタ（光合成手段）、３７…照明光学系。

Claims (12)

1. レーザ発振器から発振されたパルスレーザ光を、分割し、互いに光路長の異なる光路を進んだ後に合成する工程、
   合成されたパルスレーザ光を位相変調素子により所定の光強度分布を有するパルスレーザ光に変調する工程、及び
   前記所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶膜に照射し、非単結晶を結晶化する工程
   を具備し、
   前記パルスレーザ光を分割し、合成する工程は、順番に配列された３つ以上の光学的分割・合成手段において、１つの光学的分割・合成手段により分割された一方のパルスレーザ光を、次の分割・合成手段により順次分割するとともに、１つの光学的分割・合成手段により分割された他方のパルスレーザ光を前の分割・合成手段により分割された他方のパルスレーザ光と合成することを特徴とする結晶化方法。
2. 前記非単結晶半導体膜の基板とは反対の面に、光透過性または光吸収性のキャップ層が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の結晶化方法。
3. 前記光透過性キャップ層は、ＳｉＯ_２からなり、５０ｎｍ〜６５０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載の結晶化方法。
4. 前記光学的分割・合成手段は、３〜１２個、配列されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の結晶化方法。
5. 前記光学的分割・合成手段は、部分透過ミラー又は偏光ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の結晶化方法。
6. 前記レーザ発振器から発振されるレーザ光は、波長が２４８ｎｍ以上であり、半値全幅が１５ｎｓ〜３０ｎｓであって、前記レーザ光が分割された後、合成されて、前記非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光の光強度は、前記非単結晶半導体膜を溶融した後、非単結晶半導体膜から基板あるいはキャップ層へ熱が拡散するのを補うように、時間的に変化することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の結晶化方法。
7. 前記光学的分割・合成手段は、部分透過ミラーであって、これらの部分透過ミラーは、光路上でレーザ発振器に近い方から数えて１番目の部分透過ミラーの反射率Ｒ１が０．３以上０．６以下であって、２番目以降ｎ番目までの部分透過ミラーの反射率は、Ｒ２＜（Ｒ１／３）、かつ、Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜・・・＜Ｒｎであって、ｎ番目の部分透過ミラーの後段に全反射ミラーが設置されており、隣接するミラーとの光路長は、２２５０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の結晶化方法。
8. 前記部分透過ミラーは７枚で構成され、光路上でレーザ発振器に近い方から数えてｎ番目の部分透過ミラーの反射率Ｒｎは、Ｒ１＝０．５６±０．０３、Ｒ２＝０．０７±０．０３、Ｒ３＝０．１４±０．０３、Ｒ４＝０．１７±０．０３、Ｒ５＝０．２５±０．０３、Ｒ６＝０．３５±０．０３、Ｒ７＝０．４５±０．０３であって、反射率Ｒ７の部分透過ミラーの次に全反射ミラーが配置されており、これら７枚の部分透過ミラーと１枚の全反射ミラーは、隣接するミラーとの光路長が４５００ｍｍ離れて設置されており、１番目の部分透過ミラーを透過した光は２番目の部分透過ミラーへ入射され、１番目の部分透過ミラーで反射した光は照明光学系へ導入され、２番目の部分透過ミラーを透過した光は３番目の部分透過ミラーへ入射され、２番目の部分透過ミラーで反射した光は１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入され、以下、ｎ番目の部分透過ミラーを透過した光はｎ＋１番目の部分透過ミラーへ入射され、ｎ番目の部分透過ミラーで反射した光はｎ−１、ｎ−２ ・・・、１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入され、ただし７番目の部分透過ミラーを透過した光は全反射ミラーで反射されて７、６、・・・、１番目の部分透過ミラーを経て照明光学系へ導入されることを特徴とする請求項５又は６に記載の結晶化方法。
9. ｎ番目の部分透過ミラーの反射率Ｒｎは、Ｒ１＝０．４０±０．０３、Ｒ２＝０．０７±０．０３、Ｒ３＝０．０８５±０．０３、Ｒ４＝０．０９５±０．０３、Ｒ５＝０．１２５±０．０３、Ｒ６＝０．０１７±０．０３、Ｒ７＝０．２５±０．０３であることを特徴とする請求項７に記載の結晶化方法。
10. 前記所定の光強度分布を有するパルスレーザ光への変調は、前記非単結晶半導体膜に前記パルスレーザ光が照射された際に、前記非単結晶半導体膜の少なくとも一部に単一の結晶核を発生させ、該単一結晶核から２次元的に結晶が成長するように行われることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の結晶化方法。
11. パルスレーザ光を発振するレーザ発振器、
    前記発振されたパルスレーザ光を分割し、互いに光路長の異なる光路を進んだ後に合成する光学的分割・合成手段、
    合成されたパルスレーザ光を所定の光強度分布を有するパルスレーザ光に変調する位相変調素子、及び
    前記所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶膜に照射する結像光学系
    とを具備し、
    前記パルスレーザ光を分割し、合成する光学的分割・合成手段は、３つ以上配列され、分割された一方のパルスレーザ光を、下流の分割・合成手段により順次分割するとともに、分割された他方のパルスレーザ光を上流の分割・合成手段に戻し、分割された他方のパルスレーザ光と合成することを特徴とする結晶化装置。
12. 前記光学的分割・合成手段は、３〜１２個、配列されていることを特徴とする請求項１１に記載の結晶化装置。

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