JP2010062559A - 半導体層の構造を変化させるプロセスおよび装置 - Google Patents

半導体層の構造を変化させるプロセスおよび装置 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザーアニールによる半導体層の均一性を増大させる方法を提供する。
【解決手段】半導体層の構造を変化させるプロセスおよび装置に関し,次のプロセスステップを有する。すなわち、半導体層３０の少なくとも１つの領域を第１のレーザ光３５で照射するステップと、半導体層３０の少なくとも１つの領域を少なくとも１つの第２のレーザ光２７で照射するステップとを有し、第１のレーザ光３５を照射した後に第２のレーザ光２７を一時的に照射し、第１のレーザ光３５の放射強度は第２のレーザ光２７よりも低く、第１のレーザ光３５および第２のレーザ光２７は１つのレーザビーム２１から生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体層の構造を変化させるプロセスおよび装置に関し、少なくとも１つの第１のレーザ光および少なくとも１つの第２のレーザ光で半導体層の構造を変化させるプロセスおよび装置に関する。
アモルファスシリコンおよび他の半導体材料に熱処理を開始するために、レーザ照射を利用することが知られている。この点について、たとえば、ドーピングを活性化するため、３次元スイッチ回路用のアモルファス層を結晶化するため、かつ、結晶の欠陥を回復させるために、半導体材料を照射する。
アモルファス層の結晶化や結晶の欠陥の回復は、半導体膜の作製において、特にフラットディスプレイ画面など大面積ディスプレイ用の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイの製造に使用される。この種のディスプレイは、ディスプレイに表示する画素をスイッチングするために薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を使用する。半導体膜をレーザ光で照射することによって、特に半導体膜の電子移動度を増加させることができる。その結果、より小型のトランジスタを製造することができ、これを用いて、より高解像度のディスプレイを、よりコンパクトで、より軽量で、かつより薄型の構造設計で生産することができる。
ディスプレイのサイズ、重量、および厚さをさらに低減するため、かつ、ディスプレイの解像度をさらに増加させることができるように、さらにより高品質の半導体材料が必要となる。
米国特許出願公開第２００３／００２４９０５号明細書（特許文献１）は、半導体層を照射する装置に関するものである。一実施形態では、１つのレーザ源によって生成される３つのレーザビームが、可動面に配置されている基板上で反射される。
米国特許出願公開第２００７／０１７８６３１号明細書（特許文献２）は、半導体膜を結晶化させるプロセスおよび装置に関するものである。一実施形態では、１つのレーザビームが２つのレーザビーム部分に分割され、この２つのレーザビーム部分は、レンズを介して半導体膜の同一表面領域に集束される。
米国特許出願公開第２００３／００２４９０５号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１７８６３１号明細書
本発明の目的は、半導体層を照射するプロセスおよび装置を利用可能にし、これを用いて、半導体層の均一性を増大可能にすることである。
本発明によると、半導体層の少なくとも１つの表面領域を第１のレーザ光で照射し、かつ半導体層の少なくとも１つの表面領域を少なくとも１つの第２のレーザ光で照射することによって半導体層の構造を変化させるプロセスによって、本目的は達成される。ここでは、第１のレーザ光および第２のレーザ光は、半導体層の少なくとも１つの表面領域に１度だけ一時的に連続して一方向に通り、レーザ光が生じ、第１のレーザ光の放射強度は第２のレーザ光よりも低く、第１および第２のレーザ光は１つのレーザビームから生成される。
最初に第１の放射強度またはエネルギー密度を有するレーザ光で、続いて、第１の照射の場合よりも高放射強度または高エネルギー密度を有するレーザ光で、半導体層の少なくとも１つの領域を一時的にずらして照射することによって、半導体層の少なくとも１つの領域を、第１の照射によって第２の照射のために準備することができる。半導体層の少なくとも１つの領域をこのように前処理することによって、第２の照射が、結果としてより良好な層特性をもたらす。たとえば、第１の照射の間に、水素が半導体層の堆積層から蒸発することができる。このことは、特に、微爆発なしで行うことができる。第１の照射によって、半導体層の中または上にある欠陥（たとえば汚染物）を、半導体層を破壊することなく除去することも可能である。結果として、第１の照射によって、第２の照射の有効性が増す。したがって、第１の照射によって、特に、第２の照射のプロセスウィンドウが拡大する。その結果、第１の照射および第２の照射が共に相乗効果を与え、これによって、半導体層の均一性が増大し、半導体層の表面がより平滑になる。
第１および第２のレーザ光を１つのレーザビームから生成することによって、両方の照射または露光が１つの走査手順で生じ得る。したがって、１つの走査手順で２重の露光を備えた本発明によるプロセスによって、高スループットが可能になる。
さらに、第１および第２のレーザ光を生成するのに２つの別個のレーザビーム源を設ける必要がない。したがって、２つのレーザビーム源によって生成されるレーザ光を互いに制御するためのさらなる制御努力を回避することができる。その結果、装置コストを低減することができる。
第１および第２のレーザ光の場合、好ましくは、パルスレーザ光源を用いて生成可能なレーザ光パルスの問題である。しかし、第１および第２のレーザ光の場合、連続波レーザビームの問題であるということもまた考え得る。
半導体層の場合、好ましくはアモルファスシリコン層の問題である。この層の場合、特に、薄膜の問題であり得る。
本発明による第１および第２の照射によって、アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに均一に変換することができる。このプロセスでは、アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに、少なくとも部分的に変換することができる。
本発明の一実施形態では、第１および第２のレーザ光が、半導体層の少なくとも１つの領域を一方向に通過する（通る）。特に、第１および第２のレーザ光は、少なくとも１つの領域を同一方向に通ることができる。その結果、大面積の半導体層を第１および第２のレーザ光で照射することも可能である。半導体層の少なくとも１つの領域を、各例において１度だけ第１および第２のレーザ光によって照射するのが好ましい。ここでは、「通る」の代わりに、用語「走査する」を使用してもよい。
さらに好ましい手法では、第１および第２のレーザ光、すなわち第１および第２のレーザ光によるレーザ照射が、互いから所定の時間および／または空間だけ分離して、少なくとも１つの領域を照射する（または通る）。この点について、レーザ照射間の時間的および／または空間的な分離を、予め定めることができる。レーザ照射をこのように時間的または空間的にずらすことよって、第２の照射が行われるときに、第１の照射によって半導体層で開始した熱処理が終わるか、あるいは所望の状態におかれ、これによって、半導体層のさらなる熱処理が開始するか、第１の照射によって開始する熱処理が続くことが可能となる。たとえば、アモルファスシリコン層を照射する間、第１の照射によってアモルファスシリコン層を部分的にのみ液化することができる。シリコン層を冷却する間（すなわち第１の照射後であり第２の照射前）、結晶が液体層から成長することができる。第１および第２のレーザ光間の所定の分離、すなわち、第２の照射が第１の照射後に行われる場合の所定の時間的分離によって、第１の照射または結晶の成長の後で半導体層の冷却を終えるべき時間を決定することができる。したがって、第１および第２のレーザ光間の所定の時間的分離によって、半導体層の中および上での熱処理の効果に影響を与えることもできる。
半導体層の少なくとも１つの領域の第２の照射を、第１の照射の後にその領域をほぼ周囲温度にまで冷却した後で行うのが好ましい。
さらなる好ましい手法では、第１および第２のレーザ光間の時間間隔、すなわち、半導体層の少なくとも１つの領域の第１の照射と、半導体層の少なくとも１つの領域の少なくとも１つの第２の照射との間の時間間隔が、１０μｓから１００ｍｓになる。時間間隔は、特に、１ｍｓから５ｍｓになってもよい。
１つのレーザビームから２つのレーザ光線を生成するために、半導体層を照射するプロセスは、１つのレーザビームを異なる放射強度を有する２つのレーザビーム部分に分割することと、第１および第２のレーザ光を形成するように２つのレーザビーム部分を集束することとによって構成されるプロセスステップをさらに有していてもよい。分割するステップの間、２つのレーザビーム部分（第１および第２のレーザ光の基礎を形成する）を生成する一方で、他方では、第１のレーザ光よりも高放射強度を備えた第２のレーザ光を生成することができる。２つの分割されたレーザビーム部分の場合、光線束、特にガウス光線束の問題であり得る。これらのレーザビーム部分は、半導体層の少なくとも１つの領域を照射するために、第１および第２のレーザ光を形成するように集束される。
第１および第２のレーザ光が所望の分離を備えて半導体層を照射するか、あるいは半導体層の少なくとも１つの領域を通るために、半導体層の少なくとも１つの領域を照射する前に、第１および第２のレーザ光を平行化することができる。
本発明のさらなる発展によると、半導体層を照射するプロセスは、レーザ光を分割する間に２つのレーザビーム部分の放射強度の分布を変化させ、かつ第１および第２のレーザ光が半導体層の少なくとも１つの領域を通る（走査する）方向を変化させるプロセスステップをさらに有する。これらのプロセスステップによって、第１および第２のレーザ光が半導体層の少なくとも１つの領域を間欠的に異なる方向に通る（走査する）ことができる。半導体層の少なくとも１つの領域は、各例において、第１および第２のレーザ光によって１度だけ照射されるのが好ましい。したがって、たとえば矩形表面を有する半導体層を照射することになると、全表面が完全に２度照射されるまで、表面を左から右、右から左に交互に帯状に通過するか照射することができる。その結果、半導体層全体を照射する時間を短縮することが可能となり、コストが低減される。
さらなる好ましい手法では、第１のレーザ光が、半導体層が破壊されない放射強度またはエネルギー密度で半導体層を照射する。たとえば、第１のレーザ光の放射強度は、水素が半導体層の堆積層から蒸発するか、あるいは半導体層の中または上にある欠陥が破壊されることなく除去されるようなものであってもよい。
アモルファスシリコン層を照射する間、アモルファスシリコン層が多結晶シリコンに部分的にのみ変換されるように、第１のレーザ光の放射強度を選択することができる。この場合において、第１の照射の場合には、それは、多結晶シリコンがより良好な条件下で作製されることのできる第２の照射のための前処理の問題である。
半導体層を照射するプロセスによって、薄型アモルファスシリコン層を好ましくは照射することができ、アモルファスシリコン層の厚さは、好ましくは１０ｎｍよりも大きく１０μｍまでである。アモルファスシリコン層の厚さはまた、１０μｍより大きくてもよい。
特に、放射エネルギーが、半導体層の全体の厚さにわたって、すなわち下にあるガラス基板まで、第１および／または第２の照射によって半導体層に導入される。
さらなる好ましい手法では、第２のレーザ光の放射強度に対する第１のレーザ光の放射強度の比率は、最小０．１から最大０．９になり、特に好ましい数値は最小０．２５と最大０．４５との間になる。
半導体層の均一性は、好ましくは、１９０ｎｍを超えて１１００ｎｍまでの第１および／または第２のレーザ光の波長で改善されることができる。緑色スペクトル領域でレーザ光を使用することは、従来の半導体層の厚さに適している。好ましい一実施形態では、第１および／または第２のレーザ光の波長は、４５０ｎｍから５５０ｎｍまでである。特に好ましい手法では、第１および／または第２のレーザ光の波長が、５１５ｎｍまたは５３２ｎｍである。たとえば、緑色スペクトル領域でのレーザ光が、層の厚さが１０ｎｍを超えて多くとも１０μｍであるアモルファスシリコン層と衝突すると、緑色レーザ光がアモルファスシリコンレーザの厚さ全体にわたって吸収される。これと比較して、５００ｎｍよりも小さな波長範囲内のレーザ光でアモルファスシリコン層を照射する場合には、レーザ光は、アモルファスシリコン層の薄い表面層にのみ吸収される。したがって、半導体層を変換するために、緑色スペクトル領域のレーザ光を特によく利用することができる。
第１および／または第２のレーザ光、すなわちパルスレーザ光は、好ましくは、１０ｋＨｚから２５０ｋＨｚまでの繰返し周波数を有する。第１および／または第２のレーザ光の繰返し周波数を制御することによって、第１および／または第２のレーザ光が半導体層の少なくとも１つの領域を通る速度に影響を及ぼすことができる。
さらなる好ましい手法では、帯状の第１および／または第２のレーザ光の幾何学的半値幅は、２μｍから１０μｍに達するが、好ましくは５μｍから６μｍであり、帯状の長手方向に対して直角である。
半導体層を照射するプロセスは、線状レーザビームシステムおよび／またはレーザスポット状レーザシステムに使用することができる。したがって、第１および／または第２のレーザ光の場合、線（帯）状で投射されるレーザビームの問題、あるいは、集束されたレーザスポットの問題であり得る。
序文で明確に述べられている本目的はまた、第１のレーザ光で半導体層の少なくとも１つの領域を照射するように設定されている第１の照射手段と、少なくとも１つの第２のレーザ光で半導体層の少なくとも１つの表面領域を照射するように設定されている第２の照射手段とを有する、半導体層を照射する装置によって達成される。第１および第２の照射手段は、第１および第２のレーザ光で一時的に１度だけ一方向に連続して半導体層の少なくとも１つの表面領域を通るように設定されており、第１の照射手段は、第２のレーザ光よりも低放射強度の第１のレーザ光を生成するように設定されている。
半導体層を照射する装置は、第１および第２のレーザ光間の時間的および／または空間的な分離を制御する手段をさらに有していてもよい。
さらなる好ましい手法では、半導体層を照射する装置が、第１および／または第２のレーザ光が半導体層に対して移動する、すなわち、半導体層の少なくとも１つの領域を通る少なくとも１つの速度を制御する手段を有する。
半導体層を照射する装置はまた、レーザビームを生成するレーザと、異なる放射強度を有する２つのレーザビーム部分をレーザビームから生成するビームスプリッタとを有していてもよい。
ビームスプリッタは、好ましくは、２つのレーザビーム部分の放射強度を調整するように設定されていてもよい。
半導体層を照射する装置は、第１および第２のレーザ光を形成するように２つのレーザビーム部分を集束するための投射レンズをさらに有していてもよい。
本発明のさらなる発展によると、半導体層を照射する装置は、第１および第２のレーザ光を平行化する光学部品を有していてもよい。
半導体層を照射する装置の概略図である。。 ２つのレーザビームの放射強度分布である。 アモルファスシリコン層の２つのレーザビームでの照射の概略図である。 図１に示す半導体層を照射する装置の走査方向を逆にした概略図である。 レーザ光の繰返し周波数と２つの照射間の時間的分離との関係を示すグラフである。 完全溶融プロセスの場合のシリコン層の効果を示す図である。 部分溶融プロセスの場合のシリコン層の効果を示す図である。 半導体層を照射する装置を備えたレーザシステムの概略図である。
本発明を、添付の図面を参照しつつ、例示的実施形態に基づいて以下にさらに説明する。
図１は、半導体層を照射する装置の例示的実施形態を概略的に示している。
装置は、レーザ光源１０と、ビームスプリッタ１３と、ミラー１６と、投射レンズ１９とを含む。レーザ光源１０の場合、ダイオード励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの問題である。レーザ１０は、１０ｋＨｚと２５０ｋＨｚとの間の繰返し周波数を備えたパルスレーザビーム２１を生成する。レーザビーム２１の場合、５１５ｎｍの波長の単一レーザビームの問題である。レーザビーム２１は、ビームスプリッタ１３に衝突する。ビームスプリッタ１３の場合、強度ビームスプリッタの問題であり得る。入射レーザビーム２１が、ビームスプリッタ１３によって透過部分２５と反射部分３３とに分割される。透過部分２５および反射部分３３の場合、各例において、ガウス光線束またはガウス線状ビーム（特に線に対して軸方向の均質性を備えた）の問題であり得る。透過部分２５は、反射することなくビームスプリッタ１３を通過し、透過部分２５をアモルファスシリコン層３０に投射する投射レンズ１９と衝突する。アモルファスシリコン層３０の場合、シリコン薄膜の問題である。シリコン膜は、ガラス基板（図示せず）上にある。投射レンズ１９は、入射光線束２５、３３のガウス集束を行うレンズユニットである。
ビームスプリッタから反射した部分３３は、ミラー１６に反射される。このミラーは、反射部分３３を投射レンズ１９に反射する。投射レンズ１９は、反射部分３３をアモルファスシリコン層３０に集束する。アモルファスシリコン層３０の照射表面は、レーザビーム２７および３５の結像面と一致する。
レーザビーム２１を異なる放射方向を有する部分に分割する他に、ビームスプリッタ１３はまた、透過部分２５および反射部分３３の放射強度を確定する。本例示的実施形態では、レーザビーム２１の放射強度のうち３０％が反射部分３３に供給され、レーザビーム２１の放射強度のうち７０％が透過部分２５に供給されるように、レーザビーム２１の放射強度がビームスプリッタ１３によって分割される。同様に、図示されている半導体層を照射する装置によって、異なる放射強度を有する２つのレーザビーム２７および３５を生成することができる。この点について、レーザビーム３５はレーザビーム２７よりも放射強度が低い。
さらに、２つのレーザビーム２７および３５が、互いから定められた空間的分離ａを備えて、アモルファスシリコン層３０に投射される。分離ａは、特に、ビームスプリッタ１３、ミラー１６、および投射レンズ１９によって構成される光学素子の向きに依存し、投射レンズ１９とアモルファスシリコン層３０との間の分離ｂに依存する。図１に示す装置のビーム軸はすべて、一平面にある。
したがって、図１に示される装置によって、１つのレーザビーム２１から、互いから所定の分離ａを備えてアモルファスシリコン層３０に投射されることのできる、異なる放射強度を有する２つのレーザビーム２７および３５を生成することが可能である。
レーザビーム２７の放射強度のレーザビーム３５の放射強度に対する比率を変化させるために、異なる分割比率を有する別のビームスプリッタを使用してもよい。たとえば、７０：３０の分割比率を有する図１に示すビームスプリッタ１３を、２０：８０の分割比率を有するビームスプリッタと交換することができる。
さらに、レーザ１０は、レーザビーム２１の放射強度が変化することができるように設計される。その結果として、さらにレーザビーム２７および３５の放射強度が変化することが可能である。
レーザビーム２７および３５の波長は５１５ｎｍである。緑色スペクトル領域においてレーザ光でアモルファスシリコンを照射する間、シリコンの緑色レーザ光の吸収が温度に強く依存することをさらに考慮してもよい。したがって、照射された半導体層の温度の関数としてレーザビーム２７および３５を制御することもまた、考え得ることである。
レーザ光２７とレーザ光３５との間の分離ａは、ビームスプリッタ１３、ミラー１６、および投射レンズ１９によって構成されている構成部品の１つ以上を機械的に再配置する（たとえば回転させたり、旋回させたり、移動させたりする）ことによって生じることができる。レーザビーム２７とレーザビーム３５との間の分離ａを拡大するために、投射レンズ１９とアモルファスシリコン層３０との間の分離ｂを拡大することもまた、考え得る。レーザビーム２７とレーザビーム３５との間の空間的な分離ａを変化させるための他の可能性が考え得る。たとえば、レーザビーム２７、３５の一方または両方を偏向させる１つ以上の光学ユニットを設けていてもよい。
半導体層を照射する図１に示す装置は、レーザビーム２７および３５が、アモルファスシリコン層３０を方向Ｓ１に通過する、すなわち、レーザビーム２７および３５がアモルファスシリコン層３０を方向Ｓ１に通る（走査する）ように設計されている。レーザビーム２７および３５は、アモルファスシリコン層３０を方向Ｓ１に同一速度で通過する。アモルファスシリコン層３０が固定された状態で、装置全体（すなわち構成部品１０、１３、１６および１９すべて）を方向Ｓ１に移動させることによって、レーザビーム２７および３５が方向Ｓ１に通過することができる。しかし、装置が固定された状態で、アモルファスシリコン層３０が方向Ｓ１と逆に移動してもよい。装置全体が、時計回りに回転してもよい。レーザビーム２７および３５を方向Ｓ１に移動させながらアモルファスシリコン層３０に投射するさらなる光学機器（図示せず）を使用することもまた、可能である。
図２は、図１に示す２つのレーザビーム２７および３５の放射強度分布を示している。この図では、Ｘ軸の局所的分布に対して放射強度のレベルをＩ軸に示している。
レーザビーム２７および３５の放射強度は、実質的にガウス形状に走査方向に分布している。レーザビーム３５の最大放射強度Ｉ２は、レーザビーム２７の最大放射強度Ｉ１よりも小さい。図２では、放射強度Ｉ１に対する放射強度Ｉ２の比率は、ほぼ０．３になっている。レーザビーム２７および３５の放射強度の最大値は、互いに対して空間的分離ａである。レーザビーム２７および３５は、図１に示すアモルファスシリコン層３０に沿って方向Ｓ１に所定の速度で同期して移動する。したがって、レーザビーム３５は、レーザビーム２７より前にアモルファスシリコン層３０の定められた領域を照射する。アモルファスシリコン層３０を２つのレーザビーム２７および３５で照射することによって、上記の層は多結晶シリコンに均一に変換される。
図３は、２つのレーザビームでのアモルファスシリコン層の照射を概略的に示している。
レーザビーム２７および３５の場合、図２に示すレーザビームの問題である。レーザビーム３５は、分離ａだけレーザビーム２７に先行している。レーザビーム３５および２７は、アモルファスシリコン層３０を左から右に方向Ｓ１に通過する。左から右の第１の通過は、アモルファスシリコン層３０の左上角で開始し、アモルファスシリコン層３０の右上角で終了する。
２つのレーザビーム２７および３５がアモルファスシリコン層３０を左から右に１度完全に通過した後、第１に通過した部分の真下のアモルファスシリコン層３０の部分または帯を、反対方向Ｓ２に、すなわち右から左に通過する。この目的のために、レーザビームの向きが転換されるので、次に、レーザ光線３５’がレーザ光線２７’の前を走行する。レーザビーム３５’は、レーザビーム３５に相当し、レーザビーム２７’はレーザビーム２７に相当する。すなわち、レーザビーム３５’の放射強度はレーザビーム２７’よりも低い。したがって、レーザビーム３５’および２７’は、第１の通過よりも下の領域でアモルファスシリコン層３０を右から左に方向Ｓ２に通過する。通過ごとに照射されるアモルファスシリコン層３０の部分の幅（方向Ｓ１またはＳ２に対して直角）は、レーザビーム３５および２７の幅による。レーザビーム３５および２７の幅は、優先的に同じである。
レーザビーム３５’および２７’がアモルファスシリコン層３０を方向Ｓ２に完全に通過した後、レーザビームの向きを第１の方向（レーザビーム２７および３５）に再び変更し、第３の通過を方向Ｓ１に左から右に行う。第３の通過は、空間的に第２の通過の真下で行われる。アモルファスシリコン層３０全体を上から下まで少なくとも２回照射するまで、通過方向Ｓ１およびＳ２、ならびに、レーザビーム３５，２７、および２７’，３５’の向きを互いに変更する。ついで、さらなるアモルファスシリコン層の照射を行うことができる。
本発明は、図３に示す通過方向に限定されない。たとえば、アモルファスシリコン層３０の右下端部で照射を開始してもよい。アモルファスシリコン層３０を螺旋形または円に沿って通過するということも、考え得る。
図４は、図１に示す半導体層を照射する装置のさらなる発展の概略図を示している。図１と図４とにおける同一要素は同じ参照符号を有しており、このような要素の新たな説明を省略することとする。図４に示す装置によって、レーザビームの向きの転換と、レーザビームの通過方向の変更とが可能となる。
図４に示す装置は、さらなるミラー４０が設けられている点において、図１に示す装置と異なる。さらに、ビームスプリッタ１３が、回転するか、あるいは旋回することができるように設計されている。ビームスプリッタ１３は、レーザ１０のレーザビーム２１のビーム軸および図の面に垂直である軸を中心として、回転するか、あるいは旋回することができる。したがって、ビームスプリッタ１３は、図１に示す位置から図４に示す位置に、回転するか、あるいは旋回することができる。
図１の装置のように、レーザ１０は、ビームスプリッタ１３に衝突するレーザビーム２１を生成する。ビームスプリッタ１３は、レーザビーム２１を透過部分２５’と反射部分３３’とに分割する。しかし、図４に示す装置では、反射部分３３’がミラー１６にではなくミラー４０に反射されている。ミラー４０は、投射レンズ１９に反射部分３３’を反射し、投射レンズ１９は、反射部分をレーザビーム３５’としてアモルファスシリコン層３０に集束する。
図１に示す装置のように、透過部分２５’は、投射レンズ１９によってレーザビーム２７’としてアモルファスシリコン層３０に投射される。レーザビーム２７’および３５’は、互いから所定の分離ａを備えてアモルファスシリコン層３０を照射する。
ビームスプリッタ１３は、レーザビーム２１の放射強度のうち３０％を反射部分３３’に供給し、レーザビーム２１の放射強度のうち７０％を透過部分２５’に供給するように、レーザビーム２１の放射強度を分割する。図１と比較すると、図４に示す装置では、レーザビーム２７および３５の方向が入れ換えられている。アモルファスシリコン層３０に投射される光線２７’および３５’が方向Ｓ２に移動すると、低放射強度の光線３５’が高放射強度の光線２７’よりも前を走行する。
したがって、図４に示す装置によって、図３に示すように、アモルファスシリコン層３０を交互に、すなわち、間断なく左から右、右から左に通過することができる。レーザビーム３５，２７、および３５’，２７’が方向Ｓ１およびＳ２に移動する他に、図４に示す装置は、レーザビーム３５，２７、および３５’，２７’の向きを上下に移動させるように設定されている。したがって、図４に示す装置は、アモルファスシリコン層３０上でレーザビーム３５，２７、および３５’，２７’を全方向に移動させることができる。この目的のために、図４に示す装置は、適切に設計された機械的操作装置または光偏向装置（図示せず）を有する。
連続走行するレーザビーム３５，２７、および３５’，２７’は、アモルファスシリコン層３０の２重露光のように作用し、それによって、第１の露光後に第２の露光が行われるまで経過する時間を、レーザビーム３５，２７、および３５’，２７’間の分離ａ、ならびにレーザビームの速度（いわゆる送り速度）によって確定することができる。
送り速度は、レーザパルスあたりのレーザビーム３５，２７、および３５’，２７’のそれぞれの送りに、レーザの繰返し周波数、いわゆる繰返し率を掛けて得られる。したがって、２つの露光間の時間は、２つのビーム間の分離ａを送り速度で割ったものと等しい。
図５は、レーザ光のビームの繰返し周波数（すなわち繰返し率）と２つの照射間の時間的分離との関係を示している。特に、２つの照射間の３つの異なる分離（ａ）（曲線５０、５５および６０によって示されている）として、レーザパルスにつき１μｍを送る場合に、繰返し周波数ｋＨｚに対して２つの照射間の時間をｍｓで示している。２つの露光間の分離ａは曲線５０では１０μｍに、曲線５５では１００μｍ、曲線６０では１０００μｍになる。
図５から明らかであるように、２つの露光間の空間的分離ａが１０μｍの場合（曲線５０）、約２００ｋＨｚ繰返し周波数として、パルスあたり１μｍの送りでは、第１および第２の露光間に５０μｓの間隔が生じる。２つの露光間のより大きな空間的分離（曲線５５および６０を参照）によって、２つの露光間の数ｍｓの時間的分離が可能になる。したがって、送りおよび／または繰返し周波数を制御することによって、特に露光間の時間的分離を制御することができる。原則として、２つの露光をそれらが空間的に交差するように制御するということも、考え得る。
２つの露光間の時間的分離が小さな場合には、照射された半導体層（たとえばアモルファスシリコン層）は室温まで冷却されていない。このことによって、さらなる吸収効果を利用することが可能になる。
本発明を用いて、特に、多結晶半導体層の均一性を増大することができる。半導体層の表面は、粗くなくなる。
半導体層の多結晶構造の均一性が増した半導体層の粗くない表面は、いわゆる完全溶融プロセスの場合と部分溶融プロセスの場合との両方で生じる。
完全溶融プロセスの場合、半導体層（たとえばアモルファスシリコン層）にエネルギー密度が比較的高い（たとえば８００ｍＪ／ｃｍ２）レーザ光を照射する。高エネルギー密度で照射することによって、半導体層が完全に、すなわち半導体層の下に設置されたガラス面まで液化される結果となる。レーザ光の場合に、短い時間（たとえば１００ｎｓから１０００ｎｓ）だけ半導体層を露出するパルスレーザビームの問題であるならば、半導体層もまた、短い時間でのみ液化され、半導体層を冷却することによって、半導体層の固化間に側方の結晶の成長が生じる。
完全溶融プロセスに関係して、図６は、厚さが５０ｎｍのアモルファスシリコン層７０を示している。アモルファスシリコン層７０の領域７５は、低放射強度のレーザビームで露光され（前露光）、続いて高放射強度のレーザビームで露光される（主露光）のに対して、領域８０は、高放射強度のレーザビームのみで露光されている（主露光）。
前露光は、３００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で行われ、主露光は、８００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で行われた。レーザビームパルスあたりの送りは１μｍになり、走査方向のレーザビームの幾何学的半値幅は６μｍになり、レーザビームの波長は５１５ｎｍになった。レーザビームは、１００ｋＨｚの繰返し周波数によって生成された。図６から明らかであるのは、２度露光された領域７５は１度だけ露光された領域８０よりも粗くないことである。２度露光された領域７５の均一性は、１度露光された領域８０よりも高い。
完全溶融プロセスとは対照的に、部分溶融プロセスの場合には、半導体層にエネルギー密度が比較的より低い（たとえば５００ｍＪ／ｃｍ２）レーザ光を照射する。この場合、レーザ光で照射することによって、半導体層は部分的に液化されるだけである。照射後に冷却する間、半導体層の液化されていない領域の結晶が垂直に上方に成長する。
部分溶融プロセスに関係して、図７は、厚さが５０ｎｍのアモルファスシリコン層８５を示している。アモルファスシリコン層８５の領域９５を、エネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ２のレーザビーム、およびエネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ２のレーザビームで連続して露光したのに対して、領域９０をエネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ２のレーザビームでのみ露光した。レーザビームパルスあたりの送りは１μｍになり、レーザビームの半値幅は６μｍになり、レーザビームの波長は５１５ｎｍになった。１００ｋＨｚの繰返し周波数を備えたレーザビームが生成された。図７から明らかであるのは、２度露光した領域９５が１度だけ露光した領域９０よりも粗くないことである。２度露光した領域９５はまた、１度露光した領域９０よりも均一性が高い。
図８は、半導体層を照射する装置を備えたレーザシステムの概略図を示している。図１に示す半導体層を照射する装置は、示されているレーザシステムに一体化されている。同一要素は、同じ参照符号を有している。
レーザ１０がレーザビーム２１を生成する。レーザビーム２１は、望遠鏡１０５を通過し、ミラー１１０に反射され、円柱レンズアレイ１１５を通過して、ビームスプリッタ１３に衝突する。ビームスプリッタ１３は、レーザビームを透過部分２５と反射部分３３とに分割する。
透過部分２５は、第１の集光レンズ１２０を通過し、２つのミラー１２５および１３０に反射され、第２の集光レンズ１３５を通過し、中間焦点１４０で集束レンズを通過し、ミラー１４５に再び反射されて、結像レンズ１５０によって半導体層（図示せず）にレーザビーム２７として投射される。
反射部分３３は、ビームスプリッタ１３からミラー１６に反射され、続いて同様に光学素子１２０，１２５，１３０，１３５，１４０，１４５、および１５０を通過して、レーザビーム２７から分離ａを備えて半導体層にレーザビーム３５として衝突する。レーザビーム２７および３５がそれぞれ半導体層でほぼ垂直に衝突するように、レーザビーム２７および３５はレーザシステムにおいて互いにほぼ平行に向けられた。
図８に示すレーザシステムにおいて、結像レンズ１５０は円柱レンズであるので、ガウス軸、すなわちガウス強度分布を備えた軸のみが半導体層上に減少するように集束される。あるいはまた、中間画像でのレーザビーム２７、３５を半導体層上に減少するように投射する球形の対物レンズを使用してもよい。
図８に示すレーザシステムは、線（図の面に対して垂直な線）の形状をしたレーザビームの生成に関する。しかし、本発明はまた、レーザスポット形状をしたレーザ光を生成するレーザシステムで使用されてもよい。さらに、図４に示す半導体層を照射する装置を図８に示すレーザシステムに一体化することも考え得る。
前述の例示的実施形態では、本発明をレーザ光パルスに基づいて説明した。しかし、本発明は、レーザ光パルスに限定されるものではない。第１および第２のレーザ光の場合、連続波レーザビームの問題であることもまた、考え得る。この場合、連続波レーザビームの放射強度を変化させることによって、２重の照射を実現することができる。この場合、半導体層の少なくとも１つの領域を、異なる放射強度を備えた同じ連続波レーザビームによってその領域を２度照射した後で、間欠的、すなわち区分的に通る。
本発明を用いて、薄型半導体層、特に多結晶シリコンの均一性および表面粗さを増大することができる。その結果、さらに小型の薄膜トランジスタを製造することが可能となり、これを用いて、より高解像度のフラットディスプレイ画面を、よりコンパクトで、より軽量で、より薄型の構造設計で生産することができる。

Claims (23)

  1. 半導体層の構造を、
    −前記半導体層（３０）の少なくとも１つの表面領域を第１のレーザ光（３５）で照射することと、
    −前記半導体層（３０）の前記少なくとも１つの表面領域を少なくとも１つの第２のレーザ光（２７）で照射することと、
    によって変化させるプロセスであって、
    前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）が、前記半導体層（３０）の前記少なくとも１つの表面領域を１度だけ一時的に連続して一方向に通り、
    前記第１のレーザ光（３５）の放射強度が前記第２のレーザ光（２７）よりも低く、
    前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）が１つのレーザビーム（２１）から生成される、半導体層の構造を変化させるプロセス。
  2. 前記半導体層（３０）がアモルファスシリコン層である、請求項１に記載のプロセス。
  3. 前記アモルファスシリコン層（３０）が多結晶シリコンに少なくとも部分的に変換される、請求項２に記載のプロセス。
  4. 前記第１のレーザ光（３５）および第２のレーザ光（２７）が、互いから所定の時間的および／または空間的な分離を備えて、前記少なくとも１つの表面領域を照射する、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
  5. 前記第１のレーザ光（３５）と前記第２のレーザ光（２７）との時間間隔が１０μｓから１００ｍｓになり、特に１ｍｓから５ｍｓになっている、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
  6. −１つのレーザビーム（２１）を異なる放射強度を有する２つのレーザビーム部分（２５，３３）に分割することと、
    −前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）を形成するように前記２つのレーザビーム部分（２５，３３）を集束することと、
    をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
  7. −前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）を平行化すること
    をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
  8. −前記レーザ光（２１）を分割する間に前記２つのレーザビーム部分の放射強度分布を変化させることと、
    −前記第１のレーザ光（３５）および第２のレーザ光（２７）が前記半導体層（３０）の少なくとも１つの表面領域を通る方向を変化させることと、
    をさらに備える、請求項６または７に記載のプロセス。
  9. 水素が前記半導体層（３０）の堆積層から蒸発するか、あるいは半導体層（３０）の中または上にある欠陥が破壊されることなく除去されるような放射強度で、前記第１のレーザ光（３５）が前記半導体層（３０）を照射する、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。
  10. 前記アモルファスシリコン層（３０）が多結晶シリコンに部分的にのみ変換される放射強度で、前記第１のレーザ光（３５）が前記アモルファスシリコン層（３０）を照射する、請求項２に記載のプロセス。
  11. 前記アモルファスシリコン層（３０）の厚さが、１０ｎｍよりも大きく１０μｍまでである、請求項２または１０に記載のプロセス。
  12. 前記第２のレーザ光（２７）の放射強度に対する前記第１のレーザ光（３５）の放射強度比率が、最小で０．１、最大で０．９になり、特に最小で０．２５、最大で０．４５になる、請求項１から１１のいずれか一項に記載のプロセス。
  13. 前記第１のレーザ光（３５）および／または第２のレーザ光（２７）の波長が、１９０ｎｍを超えて１１００ｎｍまでであり、特に４５０ｎｍから５５０ｎｍまで、さらには特に５１５ｎｍまたは５３２ｎｍである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
  14. 前記第１のレーザ光（３５）および／または第２のレーザ光（２７）の繰返し周波数が、１０ｋＨｚから２５０ｋＨｚまでである、請求項１から１３のいずれか一項に記載のプロセス。
  15. 前記第１のレーザ光（３５）および／または第２のレーザ光（２７）の幾何学的半値幅が、２μｍから１０μｍになり、特に約５μｍから６μｍになる、請求項１から１４のいずれか一項に記載のプロセス。
  16. 前記第１のレーザ光（３５）および／または第２のレーザ光（２７）が、線状で投射されたレーザビーム、あるいは、集束されたレーザスポットである、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
  17. −第１のレーザ光（３５）で前記半導体層（３０）の少なくとも１つの表面領域を照射するように設定されている第１の照射手段と、
    −少なくとも１つの第２のレーザ光（２７）で前記半導体層（３０）の前記少なくとも１つの表面領域を照射するように設定されている第２の照射手段と、
    を備える、半導体層を照射するプロセスであって、
    前記第１および第２の照射手段が、前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）で一時的に１度だけ一方向に連続して前記半導体層（３０）の前記少なくとも１つの表面領域を通るように設定されており、前記第１の照射手段が、前記第２のレーザ光（２７）よりも低放射強度の前記第１のレーザ光（３５）を生成するように設定されており、前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）が１つのレーザビーム（２１）から生成される、半導体層を照射するプロセス。
  18. −前記第１のレーザ光（３５）と第２のレーザ光（２７）との時間的および／または空間的な分離を制御／または調整する手段
    をさらに備える、請求項１７に記載のプロセス。
  19. 前記第１のレーザ光（３５）および／または第２のレーザ光（２７）が前記半導体層に対して移動する少なくとも１つの速度を、制御および／または調整する手段
    をさらに備える、請求項１７または１８に記載のプロセス。
  20. −前記レーザビーム（２１）を生成するレーザ（１０）と、
    −異なる放射強度を有する２つのレーザビーム部分（２５，３３）を前記レーザビーム（２１）から生成するビームスプリッタ（１３）と、
    をさらに備える、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のプロセス。
  21. 前記ビームスプリッタ（１３）が、前記２つのレーザビーム部分（２５，３３）の放射強度を調整するように設定されている、請求項２０に記載のプロセス。
  22. −前記第１のレーザ光（３５）および前記第２のレーザ光（２７）を形成するように前記２つのレーザビーム部分（２５，３３）を集束する投射レンズ（１９）
    をさらに備える、請求項２０または２１に記載のプロセス。
  23. −前記第１のレーザ光（３５）および第２のレーザ光（２７）を平行化する光学部品
    をさらに備える、請求項１７から２０のいずれか一項に記載のプロセス。

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