JP2009164444A - 結晶性半導体膜形成装置、結晶性半導体膜形成方法および結晶性半導体膜形成基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜をレーザ等の光で加熱溶融した後に結晶化させて多結晶シリコン膜を得る際に、ガラス基板背面からレーザを照射するものとするとともに背面からの照射を効率的に行なう。
【解決手段】ガラス基板５は、アモルファスシリコン膜５１を下にして配置される。上から加熱用レーザ２が対物用光学装置６を介してガラス基板５に上面側から照射されて、アモルファスシリコン膜５１で結像する。また、結像するための焦点合わせのために高さセンサ１でアモルファスシリコン膜５１の位置が測定される。測定用レーザは、ガラス基板５の上側から照射され、ガラス基板５の上面と下面で反射する。位置の測定には、共焦点測定方式が用いられ、ガラス基板５の下面で反射する光を用いてアモルファスシリコン膜５１の位置が測定され、当該位置に基いて照射される光の焦点が合わされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス基板等の基板上に例えば薄膜トランジスタ等の半導体素子を形成する際などに、基板上にアモルファス半導体膜を形成した後に、当該アモルファス半導体膜をレーザ光等の光により加熱処理して溶融した後に結晶化する結晶性半導体膜形成装置、結晶性半導体膜形成方法および結晶性半導体膜形成基板に関する。

一般に、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を形成し、次いで、当該アモルファスシリコン膜にエキシマ（パルス）レーザを照射して加熱することで、アモルファスシリコン膜を溶融させた後に結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する方法が知られている。
なお、この方法は、例えば、液晶、ＥＬ、プラズマ等のパネルディスプレイ等の製造において用いられており、ガラス基板等の透明基板上に半導体素子を構成するための工程の一部となり、一般的にガラス基板の結晶化されるアモルファスシリコン膜の下層にシリコン酸化膜等が形成されている。また、半導体素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、例えば、ディスプレイの各画素毎のスイッチング素子として用いられるが、例えば、ガラス基板上に駆動回路等を形成する場合には、駆動回路用の半導体素子が形成される場合もある。

エキシマレーザの照射においては、従来、例えば、アモルファスシリコン膜が形成されたガラス基板を保持機構に保持し、レーザ光もしくはガラス基板を移動させながら、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射していた。これにより、上述のようにアモルファスシリコン膜を加熱溶融した後に結晶化させる。

レーザ光は、例えば、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜に照射されることになるが、レーザ光をガラス基板を介してアモルファスシリコン膜に照射することも検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１７３９２２号公報

ところで、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜の結晶化には、上述のようにエキシマレーザが使用され、前記特許文献１でもエキシマレーザが使用されている。ここで、エキシマレーザには、使用される希ガスとハロゲンによって複数の波長が知られているが、基本的に紫外レーザであり、一般的なパネルディスプレイで用いられるガラス基板（無ソーダガラス）では、吸光係数が大きな波長となり、ガラス基板をレーザ光が通過した際にガラスにレーザ光の多くが吸収されてしまい、アモルファスシリコン膜を効率的に加熱できない。

したがって、ガラス基板を介してエキシマレーザをアモルファスシリコン膜に照射するには、例えば、ガラス基板を石英ガラスにするなどの必要があり、エキシマレーザをガラス基板背面からアモルファスシリコン膜に照射するような方法を、パネルディスプレイ用のガラス基板に適用することが困難であり、ガラス基板が紫外光を吸収しない特殊なものに限定されてしまう。
また、透明基板として、ガラス基板に代えて、透明樹脂基板を用いることも考えられるが透明樹脂によっては、やはり、紫外光を吸収し、紫外光の照射により樹脂が劣化してしまう可能性がある。

また、ガラス基板を介してレーザ光をガラス基板の背面側のアモルファスシリコン膜に集光もしくは結像させなければならず、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜に直接レーザ光を照射させる場合よりも焦点を合わせることが困難である。例えば、大面積のガラス基板の場合に、当該ガラス基板にうねりがあるとともに微細な厚みの変化がある可能性が高く、レーザ光の照射位置となるアモルファスシリコン膜の位置がうねりと厚みとの両方に基いて変化することになる。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、正確にアモルファスシリコン膜に焦点を合わせて光を照射できるとともに、基板として幅広い材料を使うことを可能とすることでパネルディスプレイ用のガラス基板にも十分に適用可能な結晶性半導体膜形成装置、結晶性半導体膜形成方法および結晶性半導体膜形成基板を提供することを目的とする。

請求項１に記載の結晶性半導体膜形成装置は、基板上に形成されたアモルファス半導体膜に光を照射することにより加熱溶融して前記アモルファス半導体膜を結晶化する結晶性半導体膜形成装置であって、
前記基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面の反対となる他方の面側から前記光を前記基板を介して前記アモルファス半導体膜に集光もしくは結像させて照射する光照射手段と、
前記光照射手段の前記光を前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面側に集光もしくは結像した状態に調節する焦点調節手段と、
前記基板の他方の面側から当該基板に測定用レーザを照射し、当該基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面からの測定用レーザの反射光を用いて前記アモルファス半導体膜の位置を計測する位置計測手段とを備え、
前記焦点調節手段は、前記位置計測手段に計測される前記アモルファス半導体膜の位置に基いて、前記光照射手段から照射される光の焦点を前記アモルファス半導体膜に合わせることを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、ガラス基板の他方の面側から一方のアモルファス半導体膜が形成された面に測定用レーザを反射させて、アモルファス半導体膜の位置を検出し、当該位置の情報に基いて、ガラス基板の他方の面側から一方の面に形成されたアモルファス半導体膜に焦点を正確に合わせて光を照射することが可能となり、アモルファス半導体膜の結晶化において、良好な結晶性半導体膜（例えば、結晶粒径が大きいものや、結晶が長いものなど）を得ることができる。
なお、測定用レーザは、基板として一般的な可視光を透過するガラス基板を用いた場合でも、基板の裏面の位置を測定可能とするために可視光域の波長であることが好ましい。

請求項２に記載の結晶性半導体膜形成装置は、請求項１記載の発明において、前記光照射手段は、波長が３２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のパルス光を照射することを特徴とする。

請求項２に記載の発明においては、紫外域でも波長の長い近紫外領域から可視光域および近赤外域側のパルス光となり、基板、すなわち、可視光域の光を余り吸収せずに透過する基板の場合に、可視光域およびその周辺の波長域の光ならば透過する可能性が高く、各種ガラスや透明樹脂において、基板として使用可能な材料が多くなる。
特に、照射される光が可視光域ならば、基本的に透明、すなわち、可視光を透過する基板のほぼ全てに適用可能となる。

例えば、液晶ディスプレイ等のパネルディスプレイでよく用いられる無アルカリガラス（無ソーダガラス）の場合に３００ｎｍ弱から４００ｎｍ程度で光透過率が増加傾向となり４００ｎｍから可視光領域および近赤外領域において高い光の透過率が維持されるような光学特性となっている。したがって、上述の波長範囲の光を用いるものとすれば、無アルカリガラスを好適に本発明の基板として用いることができる。
ただし、アモルファス半導体として例えばアモルファスシリコンが吸収できない波長の光の場合には、アモルファスシリコンを加熱できないので使用できない。なお、シリコンは可視光域の光の透過率が低く、１０００ｎｍ以上となると光の透過率が上昇するような光学特性なっている。したがって、上述の波長範囲を用いることで、好適にアモルファス半導体としてのアモルファスシリコンを加熱して結晶化することができる。
そして、本発明では、例えば、ヤグレーザのうちの５３２ｎｍ（緑）のものが好適に用いられる。

なお、使用する光は、レーザ光に限られるものではなく、ミリ秒以下の時間でオンオフが可能な光、すなわち、パルスとして照射可能で、かつ、レーザとして完全にコヒーレントのものではなく、例えば、パーシャルコヒーレントのものが好ましい。
ここで、照射される光は、ミリ秒以下、たとえば、数１０ナノ秒程度のパルス幅であること（オンオフできること）が好ましく、この程度のパルス幅の光を用いることにより、例えば、基板に対する相対的な光の照射領域の移動速度や、光が照射される範囲における照射パルス数などにより、アモルファス半導体の加熱温度をきめ細かくコントールして良質な結晶（例えば、大きな粒径の結晶や、所定の方向に長い結晶など）を得ることができる。

また、基板を介してアモルファス半導体膜に光を照射するため、ガラス基板内での反射を抑制する上で干渉性が高くない方が好ましく、コヒーレントなレーザ光よりも、干渉性が低いパーシャルコヒーレントな光（例えば、ＬＥＤの光）が好ましい。また、ランプの光のようなインコヒーレントな光でもよいが、上述のようにミリ秒以下でオンオフできる必要があり、適当な光源がない可能性がある。

請求項３に記載の結晶性半導体膜形成装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記位置計測手段は、測定用レーザを用いた共焦点測定方式により前記アモルファス半導体膜の位置を計測することを特徴とする。

請求項３に記載の発明においては、測定用レーザによる共焦点測定方式による位置測定（距離測定）を行なうことにより、基板の表面状態、例えば、表面粗さ、材質、色、傾き等に影響を受けにくく、正確な測定が可能となり、より確実に良好な結晶性半導体膜を得ることができる。

請求項４に記載の結晶性半導体膜形成方法は、基板上に形成されたアモルファス半導体膜に光を照射することにより加熱溶融して前記アモルファス半導体膜を結晶化する結晶性半導体膜形成方法であって、
前記基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面の反対となる他方の面側から当該基板に測定用レーザを照射し、当該基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面からの測定用レーザの反射光を用いて前記アモルファス半導体膜の位置を計測し、
計測された前記アモルファス半導体膜の位置に基いて、照射される光の焦点を前記アモルファス半導体膜に合わせ、
前記基板の前記他方の面側から前記光を前記基板を介して前記アモルファス半導体膜に集光もしくは結像させて照射し、
前記アモルファス半導体膜を前記光により加熱溶融して結晶化し、結晶性半導体膜を形成すること特徴とする。

請求項４に記載の発明においては、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を得ることができる。

請求項５に記載の結晶性半導体膜形成基板は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶性半導体膜形成装置によりアモルファス半導体膜を結晶化した結晶性半導体膜を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明においては、請求項１〜３のいずれか１項に記載と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の結晶性半導体膜形成装置、結晶性半導体膜形成方法および結晶性半導体膜形成基板によれば、基板のアモルファス半導体膜を基板の背面側から効率的に、光により加熱して結晶化し、良好な結晶性半導体膜を得ることができる。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る結晶性半導体膜形成装置３の概略構成を示すものである。
結晶性半導体膜形成装置３は、高さセンサ１と、気体浮上機構４と、図示しないレーザの光源装置と、光源装置から照射されたレーザを気体浮上機構４にセットされた例えば、透明基板としてのガラス基板（基板）５上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像（集光）用レンズを備えた対物用光学装置６と、該対物用光学装置６を上下動自在に支持するとともに上下方向（Ｚ軸上）に位置決めするＺステージ装置７とを備える。

光源装置は、例えば、レーザとして、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザや、その他の気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、ファイバーレーザ、薄膜ディスクレーザ等の少なくとも何れか１つを用いることできる。
ここでは、例えば、可視光のレーザとして波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを用いる。
また、ＹＡＧレーザは、基本的に波長が１０６４ｎｍであるが、これを半分の５３２ｎｍとする技術が知られており、５３２ｎｍの可視光とすることで、基板を効率的に透過し、かつ、アモルファスシリコン膜に効率的に吸収されてアモルファスシリコン膜を加熱することができる。

また、ここでは、連続ではなくパルス発振されたＹＡＧレーザが用いられ、パルス幅が例えば１０ナノ秒（パルスの周波数が１００ＫＨｚ）から１ミリ秒（１０ＫＨｚ）程度のものを用いることができる。ここでは、パルス幅が数１０ナノ秒以下のものが好適に用いられる。
これにより、アモルファス半導体膜としてのアモルファスシリコン膜を加熱する際に精密に温度調整することができ、アモルファスシリコンを結晶化する際に、良質な結晶（例えば、大粒の結晶）を得ることが可能となる。
また、ガラス基板５を介してＹＡＧレーザ（加熱用レーザ２）を照射することから、ガラス基板５内での干渉に基く繰返し反射を防止するために、干渉性が高くないことが好ましく、完全なコヒーレントなレーザではなく、パーシャルコヒーレントになっていることが好ましい。この場合に完全なレーザ光とはいえないが、アモルファスシリコン膜を加熱するために照射される光は、完全なレーザ光である必要はなく、十分なエネルギーを有し、かつ、精密な温度調整のために、好ましくは１ミリ秒以下、より好ましくは数１０ナノ秒でオンオフのコントロールが可能となっていればよい。

気体浮上機構４は、周知のもので、基本的に板状（面積に対して厚みが薄い板状）のガラス基板５がセットされるステージ４１を有し、このステージ４１には、図２に示すように、例えば、多孔質のセラミックで形成された気体噴出板４２が配置されている。気体噴出板４２は、例えば、ステージ４１の上面上に複数配置されている。そして、気体噴出板４２を構成する多孔質セラミックは、孔を構成する各気泡が連通した状態となっており、気体を透過可能な構成となっている。そして、気体噴出板４２の裏面（下面）側には、例えば、気体として圧縮された窒素ガスが供給されるようになっている。これにより、気体噴出板４２の表面（上面）からは、ほぼ面状に気体が噴出する状態となり、比較的低速な気体の噴出速度でも、ガラス基板５を浮上可能となっている。

そして、この場合に、ガラス基板５の下面と、ステージ４１の上面との間には、ガラス基板５が浮上することにより、気体層８が形成されることになる。なお、この例において、ガラス基板５の浮上高さ、すなわち、ガラス基板５の下面とステージ４１の上面との間隔（気体層８の厚み）が、３μｍから２００μｍとなっている。

ここで、気体の噴出速度をできるだけ低速とすることにより、例えば、噴出する気体の気流による塵芥の巻上げの防止や、ガラス基板５と気流との接触による静電気の発生や、気流による加熱されたアモルファスシリコン膜５１の冷却等を防止することができる。
なお、必ずしも気体噴出板４２として、多孔質のセラミックではなく、例えば、金属板等の板体に、複数の気体噴出用の孔を空けたものであってもよい。

また、図２では、各気体噴出板４２の幅を例えば、ガラス基板５の幅の１／３程度に図示したが、各気体噴出板４２をさらに小さいものとしてもよい。また、気体噴出板４２は円板状であっても良いし、各気体噴出板４２同士の間隔を例えば各気体噴出板４２の幅（径）の半分より広いものとしてもよい。
また、気体噴出板４２は、図２に示すように、気体を噴出するだけではなく、気体の吸引と気体の噴出との両方を行うようになっていてもよい。
このような構成とすることで、ステージ４１とガラス基板５との間隔を高精度で調節することができる。

単に気体を噴出することで、ガラス基板５を浮上させた場合には、気体の噴出速度等によりガラス基板５の浮上高さ、すなわち、ステージ４１との間隔を調整しようとしても、高い精度で調節することが困難であるが、例えば、気体噴出板４２に気体を噴出する噴出孔と、気体を吸引する吸引孔とをそれぞれ分散して配置し、気体の噴出量と気体の吸入量を調整することで、ガラス基板５の浮上高さを精密に調整することができる。
なお、噴出孔と吸引孔とをそれぞれ分散配置する場合に、各噴出孔毎の気体噴出用の配管と各吸引孔毎の気体吸引用の配管が困難になるので、上述の小型の気体噴出板４２とほぼ同様の構成で気体を吸引する小型の気体吸引板とを設け、この気体噴出板４２と気体吸引板とを分散配置するものとしてもよい。

また、噴出する気体は、必ずしも窒素ガスに限られるものではなく、例えば、ガラス基板５上に形成されたアモルファスシリコン膜５１を含む薄膜に悪影響を与えるような不純物を含まず、かつ、気体自体が上記薄膜に悪影響を与えないものならばよく。窒素ガス等のいわゆる不活性ガスを好適に用いることができる。また、窒素ガスであっても、薄膜に影響を与えるような不純物が含まれるような場合には使用できず、不純物を含まない純度の高い気体であることが好ましい。
そして、気体浮上機構４は、ステージ４１上のガラス基板５をＸ−Ｙ方向に移動可能なＸＹ移動装置を備えている。ＸＹ移動装置は、例えば、ステージ４１の周縁部や上方に備えられ、ガラス基板５の端面に接触することにより、浮上した状態のガラス基板５をＸ方向およびＹ方向に駆動するととも制動するものであってもよい。

また、気体浮上機構４は、ガラス基板５の端面等に移動子を取り付け、ステージ４１の気体噴出板４２，４２同士の間や周縁部等に固定子を形成することにより、ガラス基板５をＸ―Ｙ方向に移動可能な平面リニアモータとしてもよい。
また、平面リニアモータとしてソーヤー式のものを用いてもよい、この場合にステージ４１上がプラテンとなるが、例えば、プラテンに多数の気体噴出孔を設けたり、プラテンを多孔質材料としたりして、プラテンを気体噴出板４２とするような構成であってもよいし、気体噴出板４２とプラテンがストライプ状に配置されたり、プラテンを縦横の格子状に配置し、格子内に気体噴出板４２を配置する構成としてもよい。また、ガラス基板５には、移動子として永久磁石およびコイル等を必要とするとともに、コイルに電流を供給する必要がある。

また、プラテンには、多数の凹凸が形成されるが、凹部に樹脂を充填することで平面とすることが好ましい。この場合に例えば凸部に気体噴出孔が形成されるような構成であってもよい。
また、ガラス基板５の端面に接触してステージ４１上にガラス基板５を水平方向に移動不可に保持する保持手段を設け、ステージ４１をＸＹ方向に移動可能としてもよい。
また、気体浮上機構４には、ステージ４１を跨ぐように門形状に形成された固定部４４が設けられ、この固定部４４に、対物用光学装置６を備えたＺステージ装置７と、高さセンサ１とが固定されている。

そして、対物用光学装置６および高さセンサ１は、ステージ４１上のガラス基板５をＸ−Ｙ方向に移動すること、もしくはステージ４１をＸ−Ｙ方向に移動させることで、ステージ４１上のガラス基板５の上面全体のいずれの真上でも配置可能となっている。
対物用光学装置６は、上述のようにレーザをガラス基板５上で結像もしくは集光させる光学素子としてのレンズ（対物レンズ）もしくはレンズ群を備えた周知のものである。

なお、この例では、集光でなく、加熱用レーザの照射位置で結像させることが好ましく、照射位置における照射形状をアモルファスシリコン膜５１の結晶化に最適なものとすることが好ましい。なお、照射形状と照射形状に対する照射位置の相対的移動方向によって、ガラス基板５上における照射位置の移動間隔等が決定されることになる。
そして、対物用光学装置６と図示しない光源となるYAGレーザ生成装置が本発明の光照射手段となる。なお、YAGレーザ生成装置は、５３２nmの波長で、パルス幅数１０ナノ秒で制御可能な周知の装置を用いることができる。

Ｚステージ装置７は、対物用光学装置６をＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向（加熱用レーザ２の照射方向）に移動させるものであり、このＺ軸方向の移動により対物用光学装置６（レンズ）とガラス基板５との距離を調整し、結像もしくは集光用レンズによりレーザをガラス基板５上（下面のアモルファスシリコン膜５１側）に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Ｚステージ装置７は、対物用光学素子を備える対物用光学装置６の焦点をガラス基板５に合わせるための焦点調節手段として機能するものである。

したがって、結晶性半導体膜形成装置３は、レーザをガラス基板５の下面側のアモルファスシリコン膜で結像もしくは集光させるための対物用光学素子（対物用光学装置６）を用い、前記ガラス基板５を介してアモルファスシリコン膜５１に前記レーザを照射し、かつ、前記対物用光学素子の焦点をガラス基板５の下面のアモルファスシリコン膜５１側に合わせるための焦点調節手段を有するものである。Ｚステージ装置７は、制御装置４５に制御されて、対物用光学装置６を移動させる。

高さセンサ１（オフアクシス高さセンサ）は、ガラス基板５のレーザ照射面（上面もしくは下面、ここでは、下面にアモルファスシリコン膜５１が形成されるので下面）のＺ軸方向の位置を被接触で計測することができる周知のものであり、本発明の位置計測手段となる。ここでは、高さセンサ１として、共焦点測定方式の高さセンサが用いられている。この共焦点測定方式とは、高さセンサ１内の測定用レーザを被加工対象物上に集光させるための対物レンズを例えば音叉により高速に上下動させる構成となっているとともに、被加工対象物の表面で高さセンサが集光した際の発射光を受光する位置（共焦点位置）にピンホールを配置するとともに、ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子を配置したものとなっている。

そして、前記対物レンズの焦点がガラス基板５の表面に合うと、前記受光素子の受光量が大きくなる、すなわち、対物用レンズを上下に振動させた状態では、対物用レンズの位置がガラス基板５の表面に焦点があったところで、受光素子の受光量にピークが発生する。なお、ここでは、ガラス基板５（基板）が用いられ、測定用レーザがガラス基板５を透過するもの（例えば、可視光）となっているので、屈折率の異なる物質どうしの境界面で反射が発生することになり、例えば、ガラス基板５の上面と下面で反射が発生し、受光素子の受光量のピークが発生する高さが二箇所あることになる。そして、この例では、上述のようにガラス基板５の下面側のアモルファスシリコン膜５１に加熱処理用の上述の加熱用レーザ２を照射するので、２つの受光量のピークが発生する位置のうちの下側の受光量のピークとなる位置が高さ位置が測定されるガラス基板５の下面となる。

この受光量のピークとなる対物用光学素子の位置から対物用光学素子の焦点距離だけ離れた位置が、被加工対象物の測定用レーザの照射された位置となる。すなわち、高さセンサ１により、固定点からの被加工対象物の測定用レーザの照射位置のＺ軸方向に沿った位置を測定可能となる。なお、高さセンサ１として、共焦点測定方式を用いると被加工対象物の表面状態、例えば、表面粗さ、材質、色、傾き等に影響を受けにくく、正確な測定が可能となる。また、浮上した状態のガラス基板５の撓み（うねり）による高低差を十分な精度で測定可能である。

そして、この実施例では、高さセンサ１は、対物用光学装置６に対して気体浮上機構４によるガラス基板５の移動方向の手前側に配置されている。言い換えると、前記対物用光学素子としての対物用光学装置６に対して、前記被加工対象物の前記加熱用レーザ２の照射位置の相対的移動方向の前方となる位置に、前記被加工対象物の加熱用レーザ２の照射方向に沿った位置としての高さ位置（Ｚ軸方向に沿った位置）を計測する高さ位置測定手段としての高さセンサ１を設けている。

そして、対物用光学装置６を介してガラス基板５に加熱用レーザ２が照射される位置の高さ位置を加熱用レーザ２が照射される少し前に高さセンサ１が先読みするようになっている。これにより、加熱用レーザ２の照射位置が高さ位置を先読みされる位置に移動するまでに、高さセンサ１で高さ位置を測定するとともに、当該高さ位置に対応して対物用光学装置６の焦点がガラス基板５の表面（裏面）に合うようにＺステージ装置７で対物用光学装置６を移動すればよく、加熱用レーザ２の照射位置を相対的にガラス基板５に対して高速で移動しても、対物用光学装置６の焦点を合わせるための移動処理を行う時間を確保でき、対物用光学装置６の焦点合わせを加熱用レーザ２の照射位置の移動に追随させることができる。

ここで、ガラス基板５上における加熱用レーザ２の照射位置の移動方向が１方向ならば、対物用光学素子の前記移動方向の先側（前方側）１つだけ高さセンサ１を設ければ良いことになるが、この例では、例えば、ガラス基板５の略全面に加熱用レーザ２を照射するので、往路と復路との両方で加熱用レーザ２を照射するために、加熱用レーザ２の対物用光学装置６の前後に２つの高さセンサ１が設けられていることが好ましい。
また、前後左右に移動させるような場合には、加熱用レーザ２の対物用光学装置６の周囲の前後左右の４箇所に高さセンサ１を設けたり、対物用光学装置６の周囲を３６０度移動可能に高さセンサ１を設けてもよい。

また、相対的にガラス基板５上の加熱用レーザ２の照射位置を移動させながら、上述のように高さセンサ１でガラス基板５の裏面の高さ位置を先読みして、加熱用レーザ２の焦点あわせを行うような場合に、ガラス基板５の高さ位置が安定している必要がある。特に、加熱用レーザ２に対して、ガラス基板５をX方向、Y方向の少なくともいずれかに移動するような場合には、上述のように気体浮上機構４が気体の噴出と吸引との両方を行うことで、ガラス基板５の浮上高さの微調整が可能で、かつ、所定浮上高さに安定した状態でガラス基板５を浮上可能となっていることが好ましい。

次に、この結晶性半導体膜形成装置３を用いた結晶性半導体膜形成方法を説明する。
まず、ガラス基板５には、そのアモルファスシリコン膜５１が形成される面に、例えば、周知のように下地層として窒化シリコン膜（SiN_x）やシリコン酸化膜（SiO）などが形成され、その上にアモルファスシリコン膜５１が形成される。

ここで、ガラス基板５に下地層としてシリコン酸化膜５２を設け、その上にアモルファスシリコン層５１を設けた例を図３に示す。
図３に示すように、ガラス基板５上に下地層として、シリコン酸化膜５２が形成され、その上に結晶化すべきアモルファスシリコン層５１が形成されている。

また、この例では、アモルファスシリコン層５１が設けられた面の反対側からレーザ（光）を照射するとともに、アモルファスシリコン層５１側は、噴出する気体により浮上した状態とされ、例えば、噴出する気体を不活性ガスとすることで、アモルファスシリコン層５１に他の化合物が反応するのを防止、もしくは、積極的に特定の反応を起こさせることができる。

ここで、加熱用レーザは、ガラス基板５のアモルファスシリコン膜５１が形成されていない他方の面（背面、上面）から照射される。
また、加熱用レーザとして、上述の波長５３２ｎｍのヤグレーザを用いる。
この際に、ガラス基板５の上面側からレーザを照射した場合に、ガラス基板５と空気との境界面、ガラス基板５とシリコン酸化膜５２との境界面、シリコン酸化膜５２とアモルファスシリコン層５１と境界面で反射が発生することになる。
そして、各層の屈折率は、それぞれ空気が約１．０で、ガラス基板が約１．５で、シリコン酸化膜５２が約１．４６で、シリコン（アモルファスシリコン層５１）が約４．３となる。

この屈折率から反射率を求めた場合に、例えば、ガラス基板のアモルファスシリコン層５１が形成された側に加熱用レーザを照射すると、すなわち、アモルファスシリコン層に直接加熱用レーザ（光）を照射した場合に、空気に対してアモルファスシリコンが大きな屈折率を有することから反射率が高くなり、図３（ａ）に示すように、アモルファスシリコン層５１と空気との界面で、約４０％の光が反射され、アモルファスシリコン層５１内に入射する光は約６０％となる。
すなわち、約４０％の光が有効に利用されず、効率が低下することになる。

なお、アモルファスシリコン層５１内に入射した光のうちの吸収されずにアモルファスシリコン層５１とシリコン酸化膜５２との界面に達した光は、当該界面で約２５パーセントが反射されることになり、この反射した光は、再びアモルファスシリコン層５１内でアモルファスシリコン層５１を加熱することになり、再利用される状態となる。

一方、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板側から加熱用レーザ（光）を照射した場合には、空気とガラス基板５との界面で約４％の光が反射し、次いで、ガラス基板５とシリコン酸化膜５２との界面で０．１％パーセントより小さい無視できる程度の光が反射する。なお、例えば、無ソーダガラスからなるガラス基板５とシリコン酸化膜５２の屈折率には大きな差がなく、光がほとんど反射しない状態となる。
そして、シリコン酸化膜５２とアモルファスシリコン層５１との間の反射率が約２２％となり、ガラス基板に照射された光の約７４％が反射されずに、アモルファスシリコン層５１に入射される。

また、アモルファスシリコン層５１内に入射した光のうちの吸収されることなく空気（あるいは窒素ガス）との界面に達した光の３８％が反射し、６２％が通過することになる。なお、アモルファスシリコン層５１内に入射した光の一部はアモルファスシリコン層５１に吸収されて熱に変換されるので、アモルファスシリコン層５１と空気との界面に至る光は、入射した光の一部であるが、上述のようにアモルファスシリコン層５１と空気との界面に至る光の３８％が反射して再びアモルファスシリコン層５１を加熱することになる。

以上のことから、アモルファスシリコン層５１に直接レーザ（光）を照射した場合よりも、ガラス基板５のアモルファスシリコン層５１の形成された面の反対側となる面からガラス基板５を介してアモルファスシリコン層５１にレーザ（光）を照射した場合の方が、反射に限っていえば、レーザの利用効率が高くなる。
なお、ガラス基板５におけるレーザの吸収を考慮しても、可視光域の光を用いることで、ガラス基板５におけるレーザの吸収率を低くし、利用効率の低下を防止することができる。

そして、レーザの照射においては、アモルファスシリコン膜５１を形成されたガラス基板５が、アモルファスシリコン膜５１を下にした状態で、結晶性半導体膜形成装置３の気体浮上機構４のステージ４１上に搬送される。この際には、搬送経路もステージ４１と同様に気体を噴出する構造の図示しない気体浮上搬送路がステージ４１に連結されている。なお、気体浮上搬送路は、搬入用と搬出用とが接続されており、アモルファスシリコン膜５１の結晶化が終了した際には、搬入時と同様に気体浮上搬送路により次工程に搬送される。

以上のことから、アモルファスシリコン膜５１を下側にしてガラス基板５が取り扱われるものとしても、結晶化に際し、搬入、搬出、加熱処理時にガラス基板５の下面側が他の部材に接触する可能性がなく、アモルファスシリコン膜５１が傷つくのを防止できる。すなわち、吸着や把持により、強く部材が接触するようなことがなく、アモルファスシリコン膜５１を有するガラス基板５が傷つくのを防止できる。
また、加熱処理中のアモルファスシリコン膜５１の周囲を噴出される気体雰囲気とすることができるので、例えば、気体を窒素とすれば、ガラス基板５を特定のガス雰囲気や真空とされた容器内に封入した状態とする必要がなく、作業性を向上することができる。

また、ガラス基板５が気体により浮上していることから、ガラス基板５の下面側にレーザを照射するものとしても、ガラス基板５とステージ４１の上面との間に間隔をあけるとともに、ガラス基板５とステージ４１との間の気体層が緩衝材として機能するので、ステージ４１の上面がレーザや加熱されるアモルファスシリコン膜５１の影響を受けて耐久性が低下するのを抑止できる。また、逆に、加熱溶融後に冷却されて結晶化されるアモルファスシリコン膜５１に、ステージ４１の上面が温度等の面で直接的に影響を与えるのを防止することができる。

ステージ４１上では、ガラス基板５上のレーザ照射位置の移動方向は、対物用光学装置６と高さセンサ１とを結ぶ直線となる。
そして、高さセンサ１は、加熱用レーザの照射位置の移動方向、すなわち、対物用光学装置６の焦点位置の移動方向の先側（前方側）に配置される。
そして、レーザ加工に際しては、加熱用レーザの照射パターン（ここでは前側に直線移動した後に横に僅かにずれて後側に直線移動した後に横にずれることを繰り返すジグザグのパターンとなる）に沿って移動することになるが、先に高さセンサ１が僅かな距離（対物用光学装置の焦点位置から高さセンサ１の焦点位置までの距離）だけ高さ位置を測定した後加熱用レーザの照射を開始する。

加熱用レーザの照射を開始した際に、既に、加熱用レーザの照射開始位置の高さ位置は高さセンサ１で測定されているので、加熱用レーザの照射開始直前に、照射開始位置の高さ位置に基づいて対物用光学装置６の高さ位置をＺステージ装置７により移動する。この際には、例えば、予め基準高さ位置を決めておき、それに対するずれ量を高さセンサ１で高さ位置として測定するようにし、高さ位置の変動に対応して、対物用光学装置６の高さ位置を変動する。
この場合に制御装置４５において、高さセンサ１から入力された信号に基づいて対物用光学装置６の高さ位置を制御する。

また、ここでは、加熱用レーザの照射位置の移動、すなわち、気体浮上機構４によるガラス基板５の移動に基づいて、ガラス基板５上の高さセンサ１の測定位置も移動することになる。そして、予め決められたサンプリングレートとしての移動距離毎にガラス基板５表面の高さ位置を測定する。すなわち、高さ位置は断続的に測定される。この際の測定位置となる座標と、対応づけて測定値である高さ位置を制御装置４５において記憶する。

そして、制御装置４５では、高さセンサ１で高さが測定された座標位置に加熱用レーザの照射位置が移動する前、たとえば、１つ手前のサンプリング位置に加熱用レーザの照射位置が達した際に、測定された次のサンプリング位置となる座標に対応付けられた高さ位置に対応する対物用光学装置６の位置まで対物用光学装置をＺステージ装置７を用いて移動する。そして、次のサンプリング位置に加熱用レーザの照射位置が到達した際には、対物用光学装置６の高さ位置が、先に測定されたそのサンプリング位置における被加工対象物の高さ位置に対応する位置となっている。

以上のことから前記ガラス基板５に対する加熱用レーザの照射位置を相対的に移動しての加熱用レーザによる加工に際し、前記対物用光学装置６より加熱用レーザ照射位置の移動方向の前方にある高さセンサ１により、加熱用レーザが照射される直前の前記ガラス基板５の加熱用レーザの照射予定位置の高さ位置を加熱用レーザの照射位置の移動に対応して測定し、加熱用レーザの照射位置が前記照射予定位置に達する際に、前記高さセンサ１で測定された高さ位置に対して加熱用レーザの結像もしくは集光にほぼ最適となる位置に前記対物用光学装置６を移動するように前記焦点調節手段により前記対物用光学装置６の位置を制御することになる。

なお、被加工対象物の高さ位置が、例えば、前の高さ測定位置に対して上に１００μｍずれれば、対物用光学装置６は上に１００μｍ移動し、下に１００μｍずれれば対物用光学装置６が下に１００μｍ移動することになる。
また、制御装置４５が高さセンサ１からの高さ位置の信号に基づいて、Ｚステージ装置７に対物用光学装置６を移動するための信号を出力することになる。ここで、制御装置４５は、Ｚステージ装置７による対物用光学装置６のＺ軸方向の移動と、気体浮上機構４におけるガラス基板５のＸ軸方向とＹ軸方向との移動とを制御することになる。そこで、Ｚステージ装置７による対物用光学装置６の移動速度とのタイミングに合わせて気体浮上機構４によるガラス基板５の移動を制御してもよい。

また、上述のように高さセンサ１により先に高さ位置が測定され、その後に対物用光学装置６の高さが移動されることから、高さセンサ１による高さ測定と、対物用光学装置６の移動とは、完全に独立して行われることになる。したがって、リアルタイムで高さ位置の測定と加熱用レーザの照射を行う場合には、高さ位置の測定を行った後に測定された高さ位置に対応して対物用光学装置６を移動することになり、１回の対物用光学装置の移動に高さ測定の時間と対物用光学装置の移動の時間が必要となるのに対して、本発明では既に測定された高さ位置に対応して対物用光学装置６を移動していくことになり、少なくとも高さ位置の測定にかかる時間を無視することができ、それだけ速い応答が可能となり、加熱用レーザの照射位置の移動速度を速くすることが可能となる。

また、加熱用レーザの照射開始に際しては、ガラス基板５上における対物用光学装置６の焦点位置と、高さセンサ１の焦点位置との距離分だけ、高さセンサ１の測定を行った後に加熱用レーザの照射が開始されることになり、前記距離に含まれるサンプリング位置の高さ位置の測定分の時間だけ加熱用レーザの開始時間に遅延が生じることになるが、前記距離が僅かであるために、高さセンサ１の測定開始から加熱用レーザの照射開始までの遅延時間は極めて僅かなものとなり、遅延時間による加工時間の増加をほとんど無視できるレベルとすることができる。

これらのことから、直線的な加熱用レーザによる加工においては、予め高さ位置を測定する時間を極めて短くするとともに、予め高さが測定された位置を順次通過しながら加熱用レーザを照射するので、予め測定された高さに基づいて対物用光学装置６を移動して対物用光学装置６の焦点を合わせて加熱用レーザを照射した状態にできる。
この際に、既に測定された高さ位置に基づいて対物用光学装置６を移動すればよいので、加熱用レーザのガラス基板５に対する照射位置の移動速度が速くても対応することができる。

以上のことから、加熱用レーザの照射位置の移動速度をより速くすることが可能な場合には、加工時間の短縮を図ることが可能となる。言い換えれば、加熱用レーザの照射位置の移動速度のボトルネックが、高さセンサ１による高さ位置の測定時間となっている場合に、高さ位置の測定時間を無視することが可能なり、より速い速度で加熱用レーザの照射位置を移動することができる。

上記例では、気体浮上機構４を用いてガラス基板５を加熱用レーザに対して移動する結晶性半導体膜形成装置３を示したが、その他の結晶性半導体膜形成装置にも本発明を適用可能であり、例えば、ガラス基板５に対してレーザを移動する結晶性半導体膜形成装置や、ガラス基板５とレーザの両方を移動可能とした結晶性半導体膜形成装置にも適用可能である。
また、上述のＺステージ装置７の制御、すなわち、加熱用レーザの集光もしくは結像の焦点合わせのための移動の制御は、上述の高さセンサ１を用いたものに限られるものではなく、例えば、予め、ガラス基板５上の全面に配置された全ての座標点の高さ位置を測定しておき、この予め測定された座標位置に基いてＺステージ装置７を制御してもよい。

また、高さの測定のレーザと、加熱用レーザとの照射位置をほぼ同じとして、先に高さ測定をして次に加熱用レーザを照射することをガラス基板５の各地点で行なうようにしてもよい。また、この際に測定用レーザと加熱用レーザ２とを同じ対物用光学素子を用いて焦点を合わせるようにしてもよい。
また、ガラス基板５を支持する際に噴出する気体により支持するのではなく、複数の所定位置に配置された支持部材により、ステージ４１との間に間隔をあけてガラス基板５を支持するものとしてもよい。この場合に、光の照射位置を移動するのでない場合には、ステージ４１をＸ―Ｙ方向に移動することでガラス基板５を移動するようになっている必要がある。

また、ガラス基板５の支持部材が接触する位置では、アモルファスシリコン膜の結晶化が行なわれないようになっていることが好ましく、例えば、ガラス基板５の周縁部や、ガラス基板５が複数に面取りされ、最終的にガラス基板５が複数に分割される場合には、各分割部分の境界となる位置を支持部材が支持するようになっていることが好ましい。

本発明の実施の形態に係る結晶性半導体膜形成装置を示す概略図である。 前記結晶性半導体膜形成装置のステージ上のガラス基板を示す概略図である。 前記ガラス基板を示すとともに光照射の際の反射を説明するための側面図である。

符号の説明

１ 高さセンサ（位置計測手段）
２ 加熱用レーザ（光）
３ 結晶性半導体膜形成装置
５ ガラス基板（基板）
５１ アモルファスシリコン膜（アモルファス半導体膜）
６ 対物用光学装置（光照射手段）
７ Ｚステージ装置（焦点調節手段）

Claims (5)

1. 基板上に形成されたアモルファス半導体膜に光を照射することにより加熱溶融して前記アモルファス半導体膜を結晶化する結晶性半導体膜形成装置であって、
   前記基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面の反対となる他方の面側から前記光を前記基板を介して前記アモルファス半導体膜に集光もしくは結像させて照射する光照射手段と、
   前記光照射手段の前記光を前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面側に集光もしくは結像した状態に調節する焦点調節手段と、
   前記基板の他方の面側から当該基板に測定用レーザを照射し、当該基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面からの測定用レーザの反射光を用いて前記アモルファス半導体膜の位置を計測する位置計測手段とを備え、
   前記焦点調節手段は、前記位置計測手段に計測される前記アモルファス半導体膜の位置に基いて、前記光照射手段から照射される光の焦点を前記アモルファス半導体膜に合わせることを特徴とする結晶性半導体膜形成装置。
2. 前記光照射手段は、波長が３２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のパルス光を照射することを特徴とする請求項１に記載の結晶性半導体膜形成装置。
3. 前記位置計測手段は、測定用レーザを用いた共焦点測定方式により前記アモルファス半導体膜の位置を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶性半導体膜形成装置。
4. 基板上に形成されたアモルファス半導体膜に光を照射することにより加熱溶融して前記アモルファス半導体膜を結晶化する結晶性半導体膜形成方法であって、
   前記基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面の反対となる他方の面側から当該基板に測定用レーザを照射し、当該基板の前記アモルファス半導体膜が形成された一方の面からの測定用レーザの反射光を用いて前記アモルファス半導体膜の位置を計測し、
   計測された前記アモルファス半導体膜の位置に基いて、照射される光の焦点を前記アモルファス半導体膜に合わせ、
   前記基板の前記他方の面側から前記光を前記基板を介して前記アモルファス半導体膜に集光もしくは結像させて照射し、
   前記アモルファス半導体膜を前記光により加熱溶融して結晶化し、結晶性半導体膜を形成すること特徴とする結晶性半導体膜形成方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶性半導体膜形成装置によりアモルファス半導体膜を結晶化した結晶性半導体膜を備えることを特徴とする結晶性半導体膜形成基板。

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