JP2714109B2 - 結晶膜の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は非単結晶膜を用いた結晶膜の製造方法に関す
る。

（ロ） 従来の技術 結晶膜の低温成膜要求や大面積化要求を実現する方法
として、基板表面に低温成膜技術であるプラズマCVD
法、熱CVD法、真空蒸着法、スパッタ法により非晶質膜
或いは多結晶膜等の非単結晶膜を得、当該非晶質膜を多
結晶膜や単結晶膜に変換したり、多結晶膜を単結晶膜に
変換する方法が行なわれている。特開昭63−170976号公
報に開示された先行技術は、予め基板表面にプラズマCV
D法により非晶質膜を低温成膜し、その後、レーザビー
ムを照射によるアニーリングを施し多結晶膜を得る方法
を開示する。

しかし乍ら、上記先行技術の如くレーザビームのよう
なエネルギビームの強度分布は概して中心部分にピーク
が存在するガウス分布を呈するために、中心部分と周縁
部分とでは均一にアニーリングを施すことができない。
そのために、結晶化がレーザビームの照射部位に限定さ
れ、照射部位全域に亘って、均一な結晶膜を得ることが
できない。

（ハ） 発明が解決しようとする課題 本発明は上述の如く結晶膜の低温成膜や大面積化を可
能とするエネルギビームを利用した際、均一な結晶膜が
得られない点を解決しようとするものである。

（ニ） 課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するために、表面に非単結晶
膜が皮膜された基板を準備し、上記非単結晶膜に対して
中心に強度ピークが存在するエネルギビームを照射した
後、上記エネルギビームの強度ピークを中心から周縁に
変調することを特徴とする。

（ホ） 作用 上述の如く非単結晶膜に対するエネルギビームの照射
を強度ピークが中心から周縁に向って移動するように変
調することにより、エネルギビームの強度分布が結晶化
に好適な分布状態に変更される。

（ヘ） 実施例 第１図（ａ）乃至同図（ｅ）は本発明の製造方法を説
明するための工程別模式図である。第１図（ａ）の工程
では、ガラス等の基板（１）の表面に周知のプラズマCV
D法、真空蒸着法、スパッタ法により非単結晶膜として
の非晶質シリコン（以下ａ−Siと略記する）膜（２）が
形成される。

第１図（ｂ）の工程では、中心に強度ピークが存在す
る第１のエネルギビーム（EB1）が、基板（１）に支持
されたａ−Si膜（２）に対して当該ａ−Si膜（２）の露
出面側から照射される。使用されるエネルギビーム（EB
1）としては、YAGレーザ、エキシマレーザ、アルゴンレ
ーザ、CO₂レーザ、Cu蒸気レーザ等のレーザ装置から出
射されるレーザビームが好適に用いられ、その他に電気
ビームやイオンビームが使用可能である。また、エネル
ギビームの出射形態は連続状であっても良いしパルス状
であっても良い。斯るエネルギビーム（EB1）の照射に
より、第１図（ｂ）でハッチングで示す被照射部位のａ
−Si膜部分（2a）は入熱を受け溶融される。

第１図（ｃ）の工程では、エネルギ部分が双峰状を呈
すると共に、ビーム径が第１のエネルギビーム（EB1）
よりい広い第２のエネルギビーム（EB2）が上記ａ−Si
膜部分（2a）に露出面側から照射される。このとき、溶
融されたａ−Si膜部分（2a）の中心部に結晶粒（2b）が
形成されるか、或いは先の第１図（ｂ）の工程で形成済
みの結晶粒（図示せず）が肥大化する。

第１図（ｄ）の工程では、エネルギ分布がドーナツ状
（同図に示す如く中心部分がエネルギ強度ゼロで、周縁
部分に全周に亘って強度ピークが存在する）を呈すると
共に、ビーム径（外径）が第２のエネルギビームより広
い第３のエネルギビーム（EB3）が、中心部位に結晶粒
（2b）が形成されたａ−Si部分（2a）に露出面側から照
射される。斯るドーナツ状第３のエネルギビーム（EB
3）の内径は、第１図（ｃ）の工程で得られた結晶粒（2
b）の粒径とほぼ同程度か、若干小径となるようにエネ
ルギ分布が決定されている。従って、中心部分に形成さ
れた結晶粒（2b）の粒界部分が主として第３のエネルギ
ビーム（EB3）によりアニーリングされ、粒径が拡大す
る。

第１図（ｅ）は、第１〜第３エネルギビーム（EB1）
〜（EB3）照射後の状態及び斯るエネルギビーム（EB1）
〜（EB3）の合成ビーム（EB0）を示している。このよう
にａ−Si膜（２）は、当初ガウス分布を呈する第１のエ
ネルギビーム（EB1）の照射によって照射部位のａ−Si
膜部分（2a）の中心部分に結晶粒（2b）が形成され、然
る後結晶化が当該結晶粒（2b）を核として全周縁に向っ
て拡大されて、最終的に第３のエネルギビーム（EB3）
のビーム径（外径）にほぼ等しい粒径の単結晶膜（３）
に変換される。即ち、ビーム強度の分布を時間的に可変
とし、エネルギビームを高精度に中心部分から同心的に
全周縁部分へ強度変化を伴いながら移行させることによ
って、ビーム中心部分のａ−Si膜部分（2a）の単一核か
ら結晶化を開始させ、それを拡大して最後に全周縁部分
の結晶化を行なわせて全照射領域に均質な結晶膜を得ん
とするものである。

例えば、SiO₂の基板（１）上に形成された膜厚0.01〜
10μｍのａ−Si膜（２）を部分的に単結晶化させる場合
を考える。当初ａ−Si膜（２）に照射される第１エネル
ギビーム（EB1）のエネルギ密度は、当該ａ−Si膜
（２）の膜厚により大幅に変動するが、通常0.1〜500J/
cm²である。照射時間は結晶化を望む深さが結晶化温度
に到達するまでとし、おおよそ0.01〜100m secである。

このようにして第１エネルギビーム（EB1）の照射に
よりａ−Si膜部分（2a）が結晶化温度に到達すると第２
エネルギビーム（EB2）から第３エネルギビーム（EB3）
に強度分布を連続的に変化させる。即ち、ピークを中心
から周縁に向って約0.1mm/sec〜1m/secの速度で移動さ
せる。それにともないピーク照射中心より単一の結晶核
が発生し、外周部へと結晶粒の成長が始まる。この際同
時に照射周縁部から中心部への凝固による多結晶粒の成
長が起きる可能性があるが、周辺に逃げる熱量を補う分
だけの入熱をレーザ照射により与え続けることにより抑
制が可能である。結果として、レーザパワーさえ十分に
与えられれば、粒径0.01〜10mmの大粒径Si結晶薄膜が１
パルスのレーザで形成可能となる。

また、この原理を用いてエネルギビームの走査（エネ
ルギビームを固定し、基板側を移動させる場合も含む）
をおこなった場合は、照射両側に多結晶領域がほとんど
みられない単結晶薄膜の帯が形成可能である。このとき
使用されるエネルギビームの形状は中心対称である必要
はなく、例えば第２図及び第３図（ａ）〜同図（ｅ）に
示すような５種類の形状のものが用いられる。第２図は
エネルギビームの照射方向から被照射部位であるａ−Si
膜（２）を臨んだ上面図であり、第３図（ａ）〜同図
（ｅ）は第２図における各エネルギビームを矢印で示す
走査方向に対し垂直方向に切断した際のエネルギ分布図
である。即ち、Ａのエネルギビーム（EBa）はガウス分
布状の中心対称の形状ではあるものの、それ以外のＢ〜
Ｅのエネルギビーム（EBb）〜（EBe）の照射形状は楕円
等の形状である。この場合、各ビーム（EBa）〜（EBe）
の強度分布を時間的に大きく変化させる必要はなく、各
ビーム（EBa）〜（EBe）をその形状のまま照射し続けな
がら移動（走査）することによって、照射部位から見る
と、エネルギービームの強度ピークを中心から周縁に変
調したこととなる。その結果、走査方向に垂直なａ−Si
膜（２）の断面を考えると、照射されるエネルギービー
ム（EBa）〜（EBe）の時間変化は、中心部から両周縁に
向ってビーム強度のピークが移動することとなり、原理
が先の１パルス照射と同一であることが理解されよう。

斯る１パルス照射、走査による照射共通の特徴とし
て、各構成ビームの出力が精密に抑制されているため
に、基板（１）やａ−Si膜（２）の各部を必要最少限の
加熱に留めることができる。その結果、基板（１）の熱
歪などの不要なダメージが低減できるばかりか、基板
（１）の到達温度を約600℃以下とすることが可能とな
り、安価なガラスを基板材料として用いたにも拘らず、
その表面に単結晶膜や大粒径、高移動度の多結晶膜が得
られる。

以上の実施例ではａ−Si膜（２）を島状、帯状に結晶
化させていたが、基板全面に大面積の結晶膜を得る場
合、当該結晶化部分を種結晶として周知のエピタキシャ
ル成長技術を用いれば良い。更に加工時間が許容される
ならば、第２図、第３図に示した複数のエネルギビーム
（EBa）〜（EBe）を用いた全面走査による結晶化も可能
である。

第４図は本発明製造方法に用いられて好適な結晶化装
置の概略構成図である。レーザ装置（10）かる出射され
たレーザビームはｎ本のビームに分割され第１〜第ｎの
基本ビーム成形器（11₁）〜（11n）に入射せしめられ
る。この第１〜第ｎの基本ビーム成形器（11₁）〜（11
n）では各ビームの基本的エネルギー分布、ビーム径等
を決定する。例えば、第１の基本ビーム成形器（11₁）
は第１図（ｂ）や第３図（ａ）のガウス分布にビームを
成形し、また第２の基本ビーム成形器（11₂）は第１図
（ｃ）や第３図（ｂ）、（ｃ）のような双峰分布にビー
ムを成形する。また第ｎの基本ビーム成形器（11n）は
第１図（ｄ）や第３図（ｄ）、（ｅ）のようなドーナツ
分布或いは周縁分布に、ビームを成形する。このように
して各エネルギ分布に成形された各基本ビームは次にビ
ーム強度制御器（12₁）〜（12n）に導入される。このビ
ーム強度制御器（12₁）〜（12n）は各ビームの任意の時
間における強度を、コンピュータ制御された高速変調器
（13）によって調整する。強度の調整が施されると、各
ビームはミラー（14₁）或いはハーフミラー（14₂）〜
（14n）により、XYステージ（15）上に載置された試料
（ａ−Si膜等の非単結晶膜を表面に支持する基板）（1
6）を照射すべく方向が変更される。尚、試料（16）と
ミラー（14₁）、ハーフミラー（14₂）〜（14n）との間
には各ビームを合成ビームとして合成した際にその合成
ビームをモニタリングするための投影面（17）が設けら
れている。

而して、各基本ビームの強度をビーム強度制御系（12
₁）〜（12n）を用いて微小時間毎に厳密に独立制御する
ことによって、任意の強度分布を持つ合成ビームが得ら
れる。また合成ビームも時間的に連続変化させることが
可能となる。

尚、以上の説明においては結晶膜に変換する出発材料
としてａ−Si膜を用いていたが、このような非晶質膜に
あっては単結晶膜、多結晶膜に変換することができる。
また、多結晶膜にあっては、出発材料自体が低温成膜の
ために粒径が小さく低移動度と低品質であった膜質を大
粒径、高移動度と高品質な膜質に変換したり、単結晶膜
に変換することができる。

（ト） 発明の効果 本発明製造方法は以上の説明から明らかな如く、エネ
ルギビームを利用したにも拘らず、当該エネルギービー
ムの強度分布が結晶化に好適な分布状態を呈するので、
非単結晶膜を良好に結晶化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜第１図（ｅ）は本発明製造方法による結
晶化の推移を説明するための模式図、第２図は他の実施
例のエネルギビームの照射状態を表わす上面図、第３図
（ａ）〜第３図（ｅ）は第２図におけるＡ−Ａ′線乃至
Ｅ−Ｅ′線断面におけるエネルギ強度分布図、第４図は
本発明に用いられる結晶化装置の模式的構成図、であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/00 ３０１ Ｈ０１Ｌ 21/88 (72)発明者 渡邊 金雄 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 中野 昭一 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−21789（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−185886（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−187017（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−25920（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に非単結晶膜が成膜された基板を準備
   し、上記非単結晶膜に対して中心に強度ピークが存在す
   るエネルギビームを照射した後、上記エネルギビームの
   強度ピークを中心から周縁に変調することを特徴とする
   結晶膜の製造方法。