JP3751772B2 - 半導体薄膜製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体材料の結晶化工程に利用される半導体薄膜製造装置に関するものであり、特に液晶ディスプレイや密着型イメージセンサ等の製造工程で用いられるレーザアニール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板部を低温に保持した状態でアモルファスシリコン膜を結晶化する方法としてエキシマレーザを用いたレーザアニール法が広く用いられている。エキシマレーザはエネルギーが高く、アモルファスシリコンを溶融・再結晶化させることができ、且つ、レーザ光のパルス幅は数十ｎｓと非常に短く、結晶化も百ｎｓ程度の時間で終結するので、ガラス基板にまで熱が伝搬せず、基板を高温に曝すことなく結晶化プロセスを行うことができるためである。
【０００３】
従来のレーザアニール法では図９に示す形状をしたレーザ光１１が用いられる。レーザ光１１は長尺ビームやラインビームなどと呼ばれるものである。しかし、前述した長尺ビームを用いた結晶化法により形成された多結晶シリコン膜１０３は多結晶シリコン膜１０３を構成する結晶粒のサイズが最大でも数百nmと非常に小さく、数多くの粒界と呼ばれる結晶粒の境界が存在する膜となる。粒界はキャリアの伝導を妨げる働きをするため、粒界が多く存在するとＴＦＴの移動度が下がり、高速に応答できるＡＭＬＣＤを作製することができない。
【０００４】
そこで、結晶粒が大きく粒界の少ない多結晶シリコン膜を作製する手段として投影マスクを用いた結晶化法をJames S. Imらが提案している(Appl. Phys. Lett. 69 (19), 4 Nov. 1996 p.2864)。
【０００５】
図１０を用いて上記結晶化法を説明する。
【０００６】
図１０はImらが提案しているレーザアニール法を実現するための装置を表した図である。発振器１０から発せられたレーザ光１１は減衰器１１０、全反射ミラー１２、視野レンズ１１１を通り、投影マスク２０に作製されたパターンに従い５μｍ程度の細線ビーム１９に成形され、結像レンズ１１２を通り基板１７に照射される。以後このような投影マスク２０を透過した線幅の細いビーム１９を細線ビームと呼ぶ。照射が終わると、基板ステージ１８により基板１７を走査して再度照射する。以上を繰り返すことにより結晶成長を行うものである。なお、このときの基板走査距離は０．７５μｍ程度となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
Imらの提案する上述の方法では、一度のレーザ照射で結晶粒が成長する距離が短いため上記のような狭ピッチで基板走査を行わなければならない。基板の走査を行う度にアモルファスシリコンを溶融するほどの高いエネルギーをもつレーザ光が照射されるため投影マスクにかかる負担は非常に大きい。このようなレーザ照射を行うと投影マスクにはエネルギーが吸収され非常に高温となるため、マスクパターンの歪みや膜のアブレーションなどが起こり、投影マスクとしては使用できないものとなってしまう。従って、以上の問題を回避するためにはマスク材料に反射率が高くエネルギーを吸収しない物質が必要となる。
【０００８】
現在ＬＳＩ作製のリソグラフィー工程で使用されているＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマレーザを光源とするステッパで用いられているレチクルのマスク材料は主にCrである。Crの紫外光に対する反射率は６０％程度と低いため使用されるレーザのパルスあたりのエネルギーが低いステッパでは問題なく使用されているものの、高エネルギーレーザを用いる上記結晶化法ではエネルギー吸収による発熱が激しく適用できない。
【０００９】
本発明の目的は、マスクに形成した開口パターンに応じたレーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、交換回数の少なくて済むマスクを有する生産性の高い半導体薄膜製造装置を提供することにある。
【００１０】
本発明は、多数回の高エネルギーエキシマレーザ照射による半導体薄膜の改質工程において交換回数の少ないマスクを実現するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、マスクに形成した開口パターンに応じたレーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、上記マスク表面の上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であることを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００１２】
これより高エネルギーエキシマレーザに耐久性の高いマスクを実現することができる。
【００１３】
上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、上記マスクは上記レーザ光を透過する基板材料と上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であるマスク材料とからなることを特徴とする。
【００１４】
上記レーザ光を透過する基板材料に上記マスク材料を薄膜として成膜することで、マスク上に形成するパターンを微細にすることができる。
【００１９】
上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、上記マスクに上記レーザ光が照射される前に上記レーザ光を吸収する基板を有することを特徴とする。
【００２０】
上記レーザ光を吸収する基板を置くことで上記マスクの反射光が例えばホモジナイザからなる光学系に与えるダメージを抑制することができる。
【００２１】
本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、レーザ光を吸収する基板は複数枚であることを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００２２】
上記レーザ光を吸収する基板を複数枚用意することで、１枚あたりに吸収されるレーザ光、１枚あたりの発熱量が分割され、上記レーザ光を吸収する基板の耐久性をあげることができる。
【００２３】
本発明の第３の態様によれば、上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、レーザ光を吸収する基板に代えて、上記マスクに上記レーザ光が照射される前に、上記マスクとは平行とならないように置かれた、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板を有することを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００２４】
以上のようにすることで上記レーザ光を吸収する基板を置くことで上記マスクの反射光が例えばホモジナイザからなる光学系に与えるダメージを抑制することができる。
【００２５】
上記第３の態様による半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板から発生する反射光を再度光路に戻す機構を備えることを特徴とする。
【００２６】
以上のようにすることで、複数のレーザ発振器を用いることなく、時間を置いた連続照射を行うことができる。
【００２７】
本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様による半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板から発生する反射光を再度光路に戻す経路の途中に置かれた光学系を有することを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００２８】
以上のようにすることで、反射光のプロファイルを整えることができる。
【００２９】
本発明の第５の態様によれば、上記第３の態様による半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板から発生する反射光が光路に戻る経路の距離を自由に変えることのできる機構を備えることを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００３０】
以上のようにすることで、反射光が基板に照射されるまでの距離を自由に変えることができ、基板に照射されるまでの時間を自由に設定することができる。
【００３１】
下記の表１にAl膜とCr膜の紫外線に対する反射率（％）を示す。
【００３２】
【表１】
Al は、８０％以上の反射率をもつが、Crは７０％未満の反射率しかもたないことがわかった。高反射率は吸収が少ない即ち温度上昇が低いことにつながるためCrよりAlの方が耐久性があると考えられる。なお、各金属膜はスパッタにより200nm成膜したものである。
【００３３】
次に、Al膜、Cr膜についてＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８nm）連続照射（照射耐久実験）を行った結果を下記の表２に示す。
【００３４】
【表２】
上記の表２の（ａ）および（ｂ）には、照射回数１００回の照射耐久実験の結果および照射回数６０万回の照射耐久実験の結果を示す。
【００３５】
以上の結果から、Al膜はCr膜に比べて変色や膜剥がれ等が起こりにくく100mJ/cm2のエネルギーでは６０万回の照射まで耐えられることが分かった。また、縮小投影レンズを用いレーザ光を集約することにより、上記の表２に示すレーザ光の強度においても十分に半導体薄膜を改質することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３７】
［第１の参考の形態］
まず、図１〜図３を用いて本発明の第１の参考の形態を説明する。
【００３８】
図１は装置の構成図である。図１に示すようにエキシマレーザ発振器１０から発せられたレーザ光１１は全反射ミラー１２や光学系１３を通り、投影マスク２０に形成されたパターンに従って細線ビーム１９に成形された後、レンズ１４により縮小投影されプロセスチャンバ１６内の基板１７に照射される。基板１７は位置制御が可能である基板ステージ１８上に置かれ、レーザ照射を行う領域を自由に決めることができる。
【００３９】
図２は投影マスク２０の断面図を表したものである。投影マスク２０は使用するレーザ光に対する表面における反射率が７０％以上である例えば金属膜３１と石英基板３０からなり、金属膜３１にはパターンが形成される。また、金属基板にパターニングしたものであっても良い。なお、金属膜に形成するパターンは直線には限らず、また大きさ、形状は同一でなくてもよい。
【００４０】
また、図３に示すように投影マスク２０には１層または２層以上の膜３２を堆積させてもよく、投影マスク２０には水や液体窒素などで温度上昇を抑える機構を備えるものであってもよい。
【００４１】
［第１の実施の形態］
次に、図４および図５を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００４２】
図４は本発明で用いる装置の構成図である。第１の参考の形態と同様に、エキシマレーザ発振器１０から発せられたレーザ光１１は全反射ミラー１２や光学系１３を通り、投影マスク２０のパターンに従って成形され、レンズ１４により縮小投影されプロセスチャンバ１６内の基板１７に照射される。但し、投影マスク２０から光学系１３へ戻る反射光を抑えるための吸収マスク２１を図に示す位置に挿入している。例えば、吸収マスク２１は、レーザ光を吸収する物質からなる基板、またはレーザ光を吸収する物質を石英ガラスなど使用するレーザ光を透過する基板に堆積させたものに対し、パターニングを施したものである。
【００４３】
図５に投影マスク２０と吸収マスク２１の断面図および位置関係を表した図を示す。吸収マスクに施すパターンの大きさ３５は吸収膜３４の端部による散乱や反射といった影響が投影マスク２０を透過するレーザ光４１に現れない大きさであり、かつ投影マスク２０から光学系へ戻る反射光４３を極力抑える大きさをもつものである。
【００４４】
その他の光４２は吸収膜３４により吸収される。また、吸収マスクは１枚でも２枚以上であってもよく、吸収マスクには水や液体窒素などで吸収マスクの温度上昇を抑える機構を備えるものであってもよい。
【００４５】
［第２の参考の形態］
次に、図６および図７を用いて本発明の第２の参考の形態を説明する。
【００４６】
図６は装置の構成図である。第１の参考の形態と同様にエキシマレーザ発振器１０から発せられたレーザ光１１は全反射ミラー１２や光学系１３を通り、投影マスク２０のパターンに従って成形されレンズ１４により縮小投影されプロセスチャンバ１６内の基板１７に照射される。但し、投影マスク２０から光学系１３へ戻る反射光を抑えるための反射マスク２２を図に示す位置に挿入している。例えば、反射マスク２２は使用するレーザ光に対する反射率が７０％以上である物質からなる基板またはそのような物質を使用するレーザ光が透過する基板に堆積させたものにパターンを施したものであり、図７にも示すように、投影マスク２０にレーザ光が照射される前に投影マスク２０に対して反射マスクからの反射光が光学系に戻らないように平行にはならないように並べて置く。
【００４７】
図７において、反射マスク２２に施すパターンの大きさ３８は反射部３７の端部による散乱や反射といった影響が投影マスク２０を透過するレーザ光４１に現れない大きさであり、投影マスク２０からの反射光４３を抑え、反射光が光学系に与えるダメージをできるだけ抑えるようにするものである。また、反射マスク２２には水や液体窒素などで反射マスクの温度上昇を抑える機構を備えるものであってもよい。
【００４８】
［第２の実施の形態］
次に、図８を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４９】
図８は本発明で用いる装置の構成図である。第２の参考の形態と同様に反射マスクを備えた装置において、図８に示すように、反射マスク２２による反射光４４を再度基板へ照射させる。ハーフトーンミラー５１、全反射ミラー１２を用いることにより反射マスク２２からの反射光４４を再び光路に戻し、再度基板１７へのレーザ照射に利用することができる。また、可動装置５２を用いて全反射ミラー１２の位置を図に示す方向５３に移動させることによって反射光４４の再び基板へ照射されるまでの距離を自由に変えることができる。また、反射光４４が光路に戻る前に光学系１３を挿入し、ビームプロファイルを整えてもよい。
【００５０】
次に本発明の実施例について説明する。
【００５１】
［第１の実施例］
まず、第１の実施例を説明する。装置の概略図は図４と同様である。用いたレーザ光は波長３０８nmのＸｅＣｌレーザである。全反射ミラー１２により反射したレーザ光１１はホモジナイザからなる光学系１３により50x50mm2の大きさのレーザ光に成形され、吸収マスク２１を通過した後に投影マスク２０に照射される。投影マスク２０上には線幅5μｍ、線長50mmのスリットが１mm間隔で５０本並ぶパターンを作製した。投影マスク２０で上記のようなパターンに成形された細線ビーム１９は縮小投影レンズ１４で１／２に縮小投影され、基板１７へと照射される。結果として線幅2.5μｍ、線長25mmのレーザ光が500μｍ間隔をおいて５０本照射される。なお、レーザ照射は基板上で400mJ/cm2のエネルギーにて行った。即ち、マスク上では100mJ/cm2となる。用いた基板１７は300x350mm2のガラス基板上に酸化シリコン膜、アモルファスシリコン膜を堆積したものである。一度に照射できる領域は基板１７上では50x50mm2の１／４である25x25mm2である（この25x25mm2の領域をブロックと呼ぶことにする）ので基板１７全面にレーザ光を照射するために１６８回のブロックの変更を行った。また、結晶シリコンを基板上のスリット間隔である500μｍの長さだけ横方向に成長させるために基板ステージ１８を1μｍステップで走査し、５００回の移動を行った。その結果、１枚の基板全面にレーザ光を照射するには１６８x５００＝８４０００回のレーザ照射を行った。このようなレーザ照射においても投影マスク２０に異常は見られなかった。
【００５２】
また、吸収マスク２１には線幅100μｍのパターンを投影マスクのパターンと重なるように1mm間隔で作製してある。吸収マスク２１が無い場合では投影マスク２０を透過するレーザ光以外の99.5%のレーザ光が反射光としてホモジナイザからなる光学系１３に戻る。しかし、上記のように吸収マスク２１を挿入することで光学系１３に戻るレーザ光を9.5%にまで抑えることができる。その結果、投影マスク２０を透過する光の解像度を落とさずに光学系１３を守ることができた。
【００５３】
［参考例］
次に、参考例を説明する。装置の概略図は図６と同様である。第１の実施例に示す内容において吸収マスク２１の代わりに反射マスク２２を投影マスク２０に対して３度の角度をつけて置いた。その結果、反射光を光学系１３とは異なる方向へ返すことができ、光学系１３の受けるダメージをなくすことができた。なお、反射光は吸収体に吸収させた。
【００５４】
［第２の実施例］
次に、第２の実施例を説明する。装置の概略図は図８と同様である。反射マスク２２を投影マスク２０に対して４５度傾けておき、反射マスクから全反射ミラー１２までの距離を3mとする。また、全反射ミラー１２間の距離を1.5ｍとる。これにより、反射マスク２２から反射したレーザ光４４が再び反射マスクに帰ってくるまでに光が通る距離は９mとなる。光の速さが3x10８m/sであるので所要時間は30nsとなる。よって、第１のレーザ光が基板１７に照射されてから30ns後に第２のレーザ光が基板１７に照射される。この結果、レーザ発振器のパルス周波数以下でレーザ照射を行うことができ、かつエネルギーを効率よく使うことができた。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マスクに形成した開口パターンに応じたレーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である材料を上記マスクのマスク材料として用いることで上記マスクのレーザに対する耐久性を向上し、多数回のレーザ光照射を行うことができる。また、高反射率材料をマスク材料として用いているために生じる反射光を吸収マスク、反射マスクを併用することで光学系へ与える損傷を抑えることができる。また、反射マスクからの反射光を利用することで時間差をおいた連続照射を行うことができ結晶化に有効である。また、結果としてレーザエネルギーの利用効率も高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の参考の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図２】 本発明による第１の参考の形態において用いる投影マスクの断面図である。
【図３】 本発明による第１の参考の形態において用いる保護膜をつけた投影マスクの断面図である。
【図４】 本発明による第１の実施の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図５】 本発明による第１の実施の形態において用いる投影マスクと吸収マスクの断面図である。
【図６】 本発明による第２の参考の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図７】 本発明による第２の参考の形態において用いる投影マスクと反射マスクの断面図である。
【図８】 本発明による第２の実施の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図９】 従来例において用いる長尺ビームの概略図である。
【図１０】 James S. Imらの提案する半導体薄膜製造装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ レーザ発振器
１１ レーザ光
１２ 全反射ミラー
１３ 光学系
１４ レンズ
１５ ウィンドウ
１６ プロセスチャンバ
１７ 基板
１８ 基板ステージ
１９ 細線ビーム
２０ 投影マスク
２１ 吸収マスク
２２ 反射マスク
３０ 石英基板
３１ 金属膜
３２ 保護膜
３３ 投影マスクに形成するパターン幅
３４ 吸収膜
３５ 吸収マスクに形成するパターン幅
４１ 投影マスクを透過するレーザ光
４２ 吸収マスクに吸収されるレーザ光
４３ 投影マスクから反射するレーザ光
４４ 反射マスクから反射するレーザ光
５１ ハーフトーンミラー
５２ ミラー可動装置
５３ ミラー可動方向
１０１ アモルファスシリコン膜
１０２ 絶縁性基板
１０３ 多結晶シリコン膜
１０４ 基板走査方向
１１０ 減衰器
１１１ 視野レンズ
１１２ 結像レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体材料の結晶化工程に利用される半導体薄膜製造装置に関するものであり、特に液晶ディスプレイや密着型イメージセンサ等の製造工程で用いられるレーザアニール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板部を低温に保持した状態でアモルファスシリコン膜を結晶化する方法としてエキシマレーザを用いたレーザアニール法が広く用いられている。エキシマレーザはエネルギーが高く、アモルファスシリコンを溶融・再結晶化させることができ、且つ、レーザ光のパルス幅は数十ｎｓと非常に短く、結晶化も百ｎｓ程度の時間で終結するので、ガラス基板にまで熱が伝搬せず、基板を高温に曝すことなく結晶化プロセスを行うことができるためである。
【０００３】
従来のレーザアニール法では図９に示す形状をしたレーザ光１１が用いられる。レーザ光１１は長尺ビームやラインビームなどと呼ばれるものである。しかし、前述した長尺ビームを用いた結晶化法により形成された多結晶シリコン膜１０３は多結晶シリコン膜１０３を構成する結晶粒のサイズが最大でも数百nmと非常に小さく、数多くの粒界と呼ばれる結晶粒の境界が存在する膜となる。粒界はキャリアの伝導を妨げる働きをするため、粒界が多く存在するとＴＦＴの移動度が下がり、高速に応答できるＡＭＬＣＤを作製することができない。
【０００４】
そこで、結晶粒が大きく粒界の少ない多結晶シリコン膜を作製する手段として投影マスクを用いた結晶化法をJames S. Imらが提案している(Appl. Phys. Lett. 69 (19), 4 Nov. 1996 p.2864)。
【０００５】
図１０を用いて上記結晶化法を説明する。
【０００６】
図１０はImらが提案しているレーザアニール法を実現するための装置を表した図である。発振器１０から発せられたレーザ光１１は減衰器１１０、全反射ミラー１２、視野レンズ１１１を通り、投影マスク２０に作製されたパターンに従い５μｍ程度の細線ビーム１９に成形され、結像レンズ１１２を通り基板１７に照射される。以後このような投影マスク２０を透過した線幅の細いビーム１９を細線ビームと呼ぶ。照射が終わると、基板ステージ１８により基板１７を走査して再度照射する。以上を繰り返すことにより結晶成長を行うものである。なお、このときの基板走査距離は０．７５μｍ程度となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
Imらの提案する上述の方法では、一度のレーザ照射で結晶粒が成長する距離が短いため上記のような狭ピッチで基板走査を行わなければならない。基板の走査を行う度にアモルファスシリコンを溶融するほどの高いエネルギーをもつレーザ光が照射されるため投影マスクにかかる負担は非常に大きい。このようなレーザ照射を行うと投影マスクにはエネルギーが吸収され非常に高温となるため、マスクパターンの歪みや膜のアブレーションなどが起こり、投影マスクとしては使用できないものとなってしまう。従って、以上の問題を回避するためにはマスク材料に反射率が高くエネルギーを吸収しない物質が必要となる。
【０００８】
現在ＬＳＩ作製のリソグラフィー工程で使用されているＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマレーザを光源とするステッパで用いられているレチクルのマスク材料は主にCrである。Crの紫外光に対する反射率は６０％程度と低いため使用されるレーザのパルスあたりのエネルギーが低いステッパでは問題なく使用されているものの、高エネルギーレーザを用いる上記結晶化法ではエネルギー吸収による発熱が激しく適用できない。
【０００９】
本発明の目的は、マスクに形成した開口パターンに応じたレーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、交換回数の少なくて済むマスクを有する生産性の高い半導体薄膜製造装置を提供することにある。
【００１０】
本発明は、多数回の高エネルギーエキシマレーザ照射による半導体薄膜の改質工程において交換回数の少ないマスクを実現するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、マスクに形成した開口パターンに応じたレーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、上記マスク表面の上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であることを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００１２】
これより高エネルギーエキシマレーザに耐久性の高いマスクを実現することができる。
【００１３】
上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、上記マスクは上記レーザ光を透過する基板材料と上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であるマスク材料とからなることを特徴とする。
【００１４】
上記レーザ光を透過する基板材料に上記マスク材料を薄膜として成膜することで、マスク上に形成するパターンを微細にすることができる。
【００１９】
上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、上記マスクに上記レーザ光が照射される前に上記レーザ光を吸収する基板を有することを特徴とする。
【００２０】
上記レーザ光を吸収する基板を置くことで上記マスクの反射光が例えばホモジナイザからなる光学系に与えるダメージを抑制することができる。
【００２１】
本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、レーザ光を吸収する基板は複数枚であることを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００２２】
上記レーザ光を吸収する基板を複数枚用意することで、１枚あたりに吸収されるレーザ光、１枚あたりの発熱量が分割され、上記レーザ光を吸収する基板の耐久性をあげることができる。
【００２３】
本発明の第３の態様によれば、上記第１の態様による半導体薄膜製造装置において、レーザ光を吸収する基板に代えて、上記マスクに上記レーザ光が照射される前に、上記マスクとは平行とならないように置かれた、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板を有することを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００２４】
以上のようにすることで上記レーザ光を吸収する基板を置くことで上記マスクの反射光が例えばホモジナイザからなる光学系に与えるダメージを抑制することができる。
【００２５】
上記第３の態様による半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板から発生する反射光を再度光路に戻す機構を備えることを特徴とする。
【００２６】
以上のようにすることで、複数のレーザ発振器を用いることなく、時間を置いた連続照射を行うことができる。
【００２７】
本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様による半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板から発生する反射光を再度光路に戻す経路の途中に置かれた光学系を有することを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００２８】
以上のようにすることで、反射光のプロファイルを整えることができる。
【００２９】
本発明の第５の態様によれば、上記第３の態様による半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である基板から発生する反射光が光路に戻る経路の距離を自由に変えることのできる機構を備えることを特徴とする半導体薄膜製造装置が得られる。
【００３０】
以上のようにすることで、反射光が基板に照射されるまでの距離を自由に変えることができ、基板に照射されるまでの時間を自由に設定することができる。
【００３１】
下記の表１にAl膜とCr膜の紫外線に対する反射率（％）を示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
次に、Al膜、Cr膜についてＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８nm）連続照射（照射耐久実験）を行った結果を下記の表２に示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】
以上の結果から、Al膜はCr膜に比べて変色や膜剥がれ等が起こりにくく100mJ/cm2のエネルギーでは６０万回の照射まで耐えられることが分かった。また、縮小投影レンズを用いレーザ光を集約することにより、上記の表２に示すレーザ光の強度においても十分に半導体薄膜を改質することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３７】
［第１の参考の形態］
まず、図１〜図３を用いて本発明の第１の参考の形態を説明する。
【００３８】
図１は装置の構成図である。図１に示すようにエキシマレーザ発振器１０から発せられたレーザ光１１は全反射ミラー１２や光学系１３を通り、投影マスク２０に形成されたパターンに従って細線ビーム１９に成形された後、レンズ１４により縮小投影されプロセスチャンバ１６内の基板１７に照射される。基板１７は位置制御が可能である基板ステージ１８上に置かれ、レーザ照射を行う領域を自由に決めることができる。
【００３９】
図２は投影マスク２０の断面図を表したものである。投影マスク２０は使用するレーザ光に対する表面における反射率が７０％以上である例えば金属膜３１と石英基板３０からなり、金属膜３１にはパターンが形成される。また、金属基板にパターニングしたものであっても良い。なお、金属膜に形成するパターンは直線には限らず、また大きさ、形状は同一でなくてもよい。
【００４０】
また、図３に示すように投影マスク２０には１層または２層以上の膜３２を堆積させてもよく、投影マスク２０には水や液体窒素などで温度上昇を抑える機構を備えるものであってもよい。
【００４１】
［第１の実施の形態］
次に、図４および図５を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００４２】
図４は本発明で用いる装置の構成図である。第１の参考の形態と同様に、エキシマレーザ発振器１０から発せられたレーザ光１１は全反射ミラー１２や光学系１３を通り、投影マスク２０のパターンに従って成形され、レンズ１４により縮小投影されプロセスチャンバ１６内の基板１７に照射される。但し、投影マスク２０から光学系１３へ戻る反射光を抑えるための吸収マスク２１を図に示す位置に挿入している。例えば、吸収マスク２１は、レーザ光を吸収する物質からなる基板、またはレーザ光を吸収する物質を石英ガラスなど使用するレーザ光を透過する基板に堆積させたものに対し、パターニングを施したものである。
【００４３】
図５に投影マスク２０と吸収マスク２１の断面図および位置関係を表した図を示す。吸収マスクに施すパターンの大きさ３５は吸収膜３４の端部による散乱や反射といった影響が投影マスク２０を透過するレーザ光４１に現れない大きさであり、かつ投影マスク２０から光学系へ戻る反射光４３を極力抑える大きさをもつものである。
【００４４】
その他の光４２は吸収膜３４により吸収される。また、吸収マスクは１枚でも２枚以上であってもよく、吸収マスクには水や液体窒素などで吸収マスクの温度上昇を抑える機構を備えるものであってもよい。
【００４５】
［第２の参考の形態］
次に、図６および図７を用いて本発明の第２の参考の形態を説明する。
【００４６】
図６は装置の構成図である。第１の参考の形態と同様にエキシマレーザ発振器１０から発せられたレーザ光１１は全反射ミラー１２や光学系１３を通り、投影マスク２０のパターンに従って成形されレンズ１４により縮小投影されプロセスチャンバ１６内の基板１７に照射される。但し、投影マスク２０から光学系１３へ戻る反射光を抑えるための反射マスク２２を図に示す位置に挿入している。例えば、反射マスク２２は使用するレーザ光に対する反射率が７０％以上である物質からなる基板またはそのような物質を使用するレーザ光が透過する基板に堆積させたものにパターンを施したものであり、図７にも示すように、投影マスク２０にレーザ光が照射される前に投影マスク２０に対して反射マスクからの反射光が光学系に戻らないように平行にはならないように並べて置く。
【００４７】
図７において、反射マスク２２に施すパターンの大きさ３８は反射部３７の端部による散乱や反射といった影響が投影マスク２０を透過するレーザ光４１に現れない大きさであり、投影マスク２０からの反射光４３を抑え、反射光が光学系に与えるダメージをできるだけ抑えるようにするものである。また、反射マスク２２には水や液体窒素などで反射マスクの温度上昇を抑える機構を備えるものであってもよい。
【００４８】
［第２の実施の形態］
次に、図８を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４９】
図８は本発明で用いる装置の構成図である。第２の参考の形態と同様に反射マスクを備えた装置において、図８に示すように、反射マスク２２による反射光４４を再度基板へ照射させる。ハーフトーンミラー５１、全反射ミラー１２を用いることにより反射マスク２２からの反射光４４を再び光路に戻し、再度基板１７へのレーザ照射に利用することができる。また、可動装置５２を用いて全反射ミラー１２の位置を図に示す方向５３に移動させることによって反射光４４の再び基板へ照射されるまでの距離を自由に変えることができる。また、反射光４４が光路に戻る前に光学系１３を挿入し、ビームプロファイルを整えてもよい。
【００５０】
次に本発明の実施例について説明する。
【００５１】
［第１の実施例］
まず、第１の実施例を説明する。装置の概略図は図４と同様である。用いたレーザ光は波長３０８nmのＸｅＣｌレーザである。全反射ミラー１２により反射したレーザ光１１はホモジナイザからなる光学系１３により50x50mm2の大きさのレーザ光に成形され、吸収マスク２１を通過した後に投影マスク２０に照射される。投影マスク２０上には線幅5μｍ、線長50mmのスリットが１mm間隔で５０本並ぶパターンを作製した。投影マスク２０で上記のようなパターンに成形された細線ビーム１９は縮小投影レンズ１４で１／２に縮小投影され、基板１７へと照射される。結果として線幅2.5μｍ、線長25mmのレーザ光が500μｍ間隔をおいて５０本照射される。なお、レーザ照射は基板上で400mJ/cm2のエネルギーにて行った。即ち、マスク上では100mJ/cm2となる。用いた基板１７は300x350mm2のガラス基板上に酸化シリコン膜、アモルファスシリコン膜を堆積したものである。一度に照射できる領域は基板１７上では50x50mm2の１／４である25x25mm2である（この25x25mm2の領域をブロックと呼ぶことにする）ので基板１７全面にレーザ光を照射するために１６８回のブロックの変更を行った。また、結晶シリコンを基板上のスリット間隔である500μｍの長さだけ横方向に成長させるために基板ステージ１８を1μｍステップで走査し、５００回の移動を行った。その結果、１枚の基板全面にレーザ光を照射するには１６８x５００＝８４０００回のレーザ照射を行った。このようなレーザ照射においても投影マスク２０に異常は見られなかった。
【００５２】
また、吸収マスク２１には線幅100μｍのパターンを投影マスクのパターンと重なるように1mm間隔で作製してある。吸収マスク２１が無い場合では投影マスク２０を透過するレーザ光以外の99.5%のレーザ光が反射光としてホモジナイザからなる光学系１３に戻る。しかし、上記のように吸収マスク２１を挿入することで光学系１３に戻るレーザ光を9.5%にまで抑えることができる。その結果、投影マスク２０を透過する光の解像度を落とさずに光学系１３を守ることができた。
【００５３】
［参考例］
次に、参考例を説明する。装置の概略図は図６と同様である。第１の実施例に示す内容において吸収マスク２１の代わりに反射マスク２２を投影マスク２０に対して３度の角度をつけて置いた。その結果、反射光を光学系１３とは異なる方向へ返すことができ、光学系１３の受けるダメージをなくすことができた。なお、反射光は吸収体に吸収させた。
【００５４】
［第２の実施例］
次に、第２の実施例を説明する。装置の概略図は図８と同様である。反射マスク２２を投影マスク２０に対して４５度傾けておき、反射マスクから全反射ミラー１２までの距離を3mとする。また、全反射ミラー１２間の距離を1.5ｍとる。これにより、反射マスク２２から反射したレーザ光４４が再び反射マスクに帰ってくるまでに光が通る距離は９mとなる。光の速さが3x10８m/sであるので所要時間は30nsとなる。よって、第１のレーザ光が基板１７に照射されてから30ns後に第２のレーザ光が基板１７に照射される。この結果、レーザ発振器のパルス周波数以下でレーザ照射を行うことができ、かつエネルギーを効率よく使うことができた。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マスクに形成した開口パターンに応じたレーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である材料を上記マスクのマスク材料として用いることで上記マスクのレーザに対する耐久性を向上し、多数回のレーザ光照射を行うことができる。また、高反射率材料をマスク材料として用いているために生じる反射光を吸収マスク、反射マスクを併用することで光学系へ与える損傷を抑えることができる。また、反射マスクからの反射光を利用することで時間差をおいた連続照射を行うことができ結晶化に有効である。また、結果としてレーザエネルギーの利用効率も高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の参考の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図２】 本発明による第１の参考の形態において用いる投影マスクの断面図である。
【図３】 本発明による第１の参考の形態において用いる保護膜をつけた投影マスクの断面図である。
【図４】 本発明による第１の実施の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図５】 本発明による第１の実施の形態において用いる投影マスクと吸収マスクの断面図である。
【図６】 本発明による第２の参考の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図７】 本発明による第２の参考の形態において用いる投影マスクと反射マスクの断面図である。
【図８】 本発明による第２の実施の形態において用いる半導体薄膜製造装置の概略図である。
【図９】 従来例において用いる長尺ビームの概略図である。
【図１０】 James S. Imらの提案する半導体薄膜製造装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ レーザ発振器
１１ レーザ光
１２ 全反射ミラー
１３ 光学系
１４ レンズ
１５ ウィンドウ
１６ プロセスチャンバ
１７ 基板
１８ 基板ステージ
１９ 細線ビーム
２０ 投影マスク
２１ 吸収マスク
２２ 反射マスク
３０ 石英基板
３１ 金属膜
３２ 保護膜
３３ 投影マスクに形成するパターン幅
３４ 吸収膜
３５ 吸収マスクに形成するパターン幅
４１ 投影マスクを透過するレーザ光
４２ 吸収マスクに吸収されるレーザ光
４３ 投影マスクから反射するレーザ光
４４ 反射マスクから反射するレーザ光
５１ ハーフトーンミラー
５２ ミラー可動装置
５３ ミラー可動方向
１０１ アモルファスシリコン膜
１０２ 絶縁性基板
１０３ 多結晶シリコン膜
１０４ 基板走査方向
１１０ 減衰器
１１１ 視野レンズ
１１２ 結像レンズ
Claims (5)
- 光学系を通ったレーザ光をマスクに照射し、該マスクに形成した開口パターンに応じた上記レーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、
上記マスク表面の上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であり、
上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の光路中に置かれた、上記レーザ光を吸収する吸収基板を有し、
上記マスクは、上記レーザ光を透過する透過基板と該透過基板上に形成され上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属膜とからなり該金属膜に前記開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属基板からなり該金属基板に開口パターンが形成されたものであり、
上記吸収基板は、上記レーザ光を吸収する物質からなる基板に開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光を吸収する物質を上記レーザ光を透過する基板に堆積させたものに対し開口パターンが形成されたものであり、
上記吸収基板の開口パターンは、上記マスクの開口パターンよりも大きいことを特徴とする半導体薄膜製造装置。 - 請求項１に記載の半導体薄膜製造装置において、上記吸収基板は複数枚であることを特徴とする半導体薄膜製造装置。
- 光学系を通ったレーザ光をマスクに照射し、該マスクに形成した開口パターンに応じた上記レーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、
上記マスク表面の上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であり、
上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の光路中に、上記マスクとは平行とならないように置かれた、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である反射基板を有し、
上記マスクは、上記レーザ光を透過する透過基板と該透過基板上に形成され上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属膜とからなり該金属膜に前記開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属基板からなり該金属基板に開口パターンが形成されたものであり、
上記反射基板は、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である物質からなる基板に開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である物質を上記レーザ光を透過する基板に堆積させたものに開口パターンが形成されたものであり、
上記反射基板の開口パターンは、上記マスクの開口パターンよりも大きいものであり、
上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である上記反射基板から発生する反射光を再度、上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の上記光路に戻す経路を構成する機構を備えることを特徴とする半導体薄膜製造装置。 - 光学系を通ったレーザ光をマスクに照射し、該マスクに形成した開口パターンに応じた上記レーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、
上記マスク表面の上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であり、
上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の光路中に、上記マスクとは平行とならないように置かれた、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である反射基板を有し、
上記マスクは、上記レーザ光を透過する透過基板と該透過基板上に形成され上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属膜とからなり該金属膜に前記開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属基板からなり該金属基板に開口パターンが形成されたものであり、
上記反射基板は、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である物質からなる基板に開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であ る物質を上記レーザ光を透過する基板に堆積させたものに開口パターンが形成されたものであり、
上記反射基板の開口パターンは、上記マスクの開口パターンよりも大きいものであり、
上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である上記反射基板から発生する反射光を再度、上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の上記光路に戻す経路を構成する機構と、該経路の途中に置かれた光学系とを有することを特徴とする半導体薄膜製造装置。 - 光学系を通ったレーザ光をマスクに照射し、該マスクに形成した開口パターンに応じた上記レーザ光を半導体薄膜に照射し上記半導体薄膜を改質する半導体薄膜製造装置において、
上記マスク表面の上記レーザ光に対する反射率が７０％以上であり、
上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の光路中に、上記マスクとは平行とならないように置かれた、上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である反射基板を有し、
上記マスクは、上記レーザ光を透過する透過基板と該透過基板上に形成され上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属膜とからなり該金属膜に前記開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である金属基板からなり該金属基板に開口パターンが形成されたものであり、
上記反射基板は、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である物質からなる基板に開口パターンが形成されたもの、或いは、上記レーザ光に対する反射率が７０％以上である物質を上記レーザ光を透過する基板に堆積させたものに開口パターンが形成されたものであり、
上記反射基板の開口パターンは、上記マスクの開口パターンよりも大きいものであり、
上記レーザ光に対する反射率が表面において７０％以上である上記反射基板から発生する反射光を再度、上記光学系と上記マスクとの間の上記レーザ光の上記光路に戻す経路を構成する機構を有し、該機構は、前記経路の距離を自由に変えることのできる機構を備えることを特徴とする半導体薄膜製造装置。
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