JP4211939B2 - Method for manufacturing polycrystalline film using laser - Google Patents

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Description

本発明は、結晶膜の製造方法及び結晶膜に関し、特にアモルファス膜にレーザビームを入射させて結晶化させる結晶膜の製造方法及び製造された結晶膜に関する。
結晶膜は、低温型多結晶TFT液晶ディスプレイ、太陽電池パネル、ペーパ型液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ等に使用することができる。
The present invention relates to a method for manufacturing a crystal film and a crystal film, and more particularly, to a method for manufacturing a crystal film in which a laser beam is incident on an amorphous film to crystallize, and the manufactured crystal film.
The crystal film can be used for a low-temperature polycrystalline TFT liquid crystal display, a solar battery panel, a paper-type liquid crystal display, an organic EL display, and the like.

エキシマレーザをアモルファスシリコン薄膜に入射させて溶融及び固化を繰り返し、横方向(薄膜の面内方向)に結晶を成長させる逐次的横方向成長(SLS:Sequential Lateral Solidification)技術が知られている。以下、従来のSLS技術について説明する。
パルスレーザビームの断面を長尺化した後、例えば幅3〜30μm、長さ100μm程度のスリットを通過させる。スリットを通過したパルスレーザビームを、スリットをアモルファスシリコン薄膜の表面に結像させる結像光学系を通して、アモルファスシリコン膜に入射させる。この結像光学系の倍率は、例えば1/3である。このとき、アモルファスシリコン膜の表面におけるレーザビームの被照射領域の幅が約1〜10μm、長さが約33μmになる。被照射領域の幅方向のビーム強度分布は、矩形に近くなる。
レーザビームがアモルファスシリコン膜に入射すると、アモルファスシリコンが溶融する。溶融した領域の縁近傍部分の冷却速度が内部の冷却速度よりも速いため、縁近傍部分から固化が始まる。固化した部分が核となり、この核から溶融部分の内側に向かって結晶が成長する。被照射領域の長い方の2つの縁から結晶成長が始まるため、被照射領域の幅方向のほぼ中央に、両側から成長してきた結晶粒の粒界が形成される。
パルスレーザビームの被照射領域を、その幅方向に、その幅の約50%だけ移動させて、2回目のパルスレーザビームを入射させる。1回目のパルスレーザビーム照射時の被照射領域のほぼ中央に形成された粒界の片側の領域が再溶融する。再溶融しなかった領域の結晶粒が種結晶となり、再溶融した領域で結晶が成長する。
パルスレーザビームの被照射領域を移動させながら、レーザ照射を繰り返すことにより、結晶を、被照射領域の移動方向に成長させることができる。
下記の特許文献1〜3に、Nd:YAGレーザの第2高調波を用い、ビーム断面を線状に整形して、アモルファスシリコン層に照射し、横方向に結晶を成長させる技術が開示されている。また、特許文献4及び5に、エキシマレーザを用い、パターン化されたマスクを通してアモルファスシリコン層に照射し、横方向に結晶を成長させる技術が開示されている。
特開2000−260731号公報 特開2000−286195号公報 特開2000−286211号公報 特表2000−505241号公報 特開2001−274088号公報
A sequential lateral solidification (SLS) technique is known in which an excimer laser is incident on an amorphous silicon thin film to repeatedly melt and solidify and grow crystals in the lateral direction (in-plane direction of the thin film). Hereinafter, the conventional SLS technique will be described.
After elongating the cross section of the pulse laser beam, it passes through, for example, a slit having a width of 3 to 30 μm and a length of about 100 μm. The pulse laser beam that has passed through the slit is incident on the amorphous silicon film through an imaging optical system that images the slit on the surface of the amorphous silicon thin film. The magnification of this imaging optical system is, for example, 1/3. At this time, the width of the irradiated region of the laser beam on the surface of the amorphous silicon film is about 1 to 10 μm and the length is about 33 μm. The beam intensity distribution in the width direction of the irradiated region is close to a rectangle.
When the laser beam is incident on the amorphous silicon film, the amorphous silicon is melted. Since the cooling rate in the vicinity of the edge of the melted region is faster than the internal cooling rate, solidification starts from the vicinity of the edge. The solidified portion becomes a nucleus, and crystals grow from the nucleus toward the inside of the molten portion. Since crystal growth starts from the two longer edges of the irradiated region, a grain boundary of crystal grains grown from both sides is formed at substantially the center in the width direction of the irradiated region.
The irradiation region of the pulse laser beam is moved in the width direction by about 50% of the width, and the second pulse laser beam is incident. A region on one side of the grain boundary formed at substantially the center of the irradiated region during the first pulse laser beam irradiation is remelted. The crystal grains in the region not remelted become seed crystals, and the crystal grows in the remelted region.
By repeating the laser irradiation while moving the irradiation region of the pulse laser beam, the crystal can be grown in the moving direction of the irradiation region.
In the following Patent Documents 1 to 3, a technique is disclosed in which the second harmonic of an Nd: YAG laser is used, the beam cross section is shaped into a linear shape, the amorphous silicon layer is irradiated, and a crystal is grown in the lateral direction. Yes. Patent Documents 4 and 5 disclose techniques for growing crystals in the lateral direction by using an excimer laser and irradiating an amorphous silicon layer through a patterned mask.
JP 2000-260731 A JP 2000-286195 A JP 2000-28621 A Special Table 2000-505241 JP 2001-274088 A

より大きな結晶粒を形成する技術が望まれている。本発明の目的は、横方向に結晶を成長させる新たな技術を提供することである。   A technique for forming larger crystal grains is desired. An object of the present invention is to provide a new technique for growing crystals laterally.

本発明の一観点によると、
(a)表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
(b)前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第1の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、
(c)パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第1の帯状領域内に発生した結晶粒は完全には溶融せず、該結晶粒に接する領域の前記薄膜は溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、該結晶粒を種結晶として、前記帯状領域の両側に結晶を成長させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
(A) preparing a workpiece on which a thin film made of an amorphous material is formed on the surface;
(B) A pulse laser beam having a beam cross section that is long in one direction on the surface of the thin film is incident on the thin film, and the thin film is melted and then solidified, and an edge and a center extending in the major axis direction of the beam incident region In the region between the lines, a crystal grain connected in the major axis direction is generated in a first band-shaped region that is separated from the edge and the center line by a certain distance and extends in the major axis direction. Process,
(C) The incident position of the pulse laser beam moves in the minor axis direction of the beam incident region, and the crystal grains generated in the first band-shaped region are not completely melted, and the thin film in the region in contact with the crystal grains Provides a method of manufacturing a polycrystalline film, which includes a step of making a pulse laser beam enter under melting conditions and using the crystal grains as seed crystals to grow crystals on both sides of the band-like region.

本発明の他の観点によると、
(i)表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
(j)前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第1の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第1の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第1の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる工程と
を有し、
パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第1の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、280mJ/cm/μm以下である多結晶膜の製造方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
(I) preparing a workpiece on which a thin film made of an amorphous material is formed on the surface;
(J) A step in which a pulse laser beam having a beam cross section that is long in one direction on the surface of the thin film is incident on the thin film, and the thin film is melted and then solidified to be polycrystallized. In the first band-shaped region defined by the imaginary line separated from the edge extending in the axial direction by a distance inward and the center line of the beam incident region, the crystal grains continuous in the major axis direction are formed. The pulse laser beam is generated under the condition that the crystal grains generated in the first band region on one side of the center line and the crystal grains generated in the other first band region are in contact with each other. An incident step,
There is provided a method for producing a polycrystalline film, wherein a gradient in a minor axis direction of a pulse energy density of a pulse laser beam is 280 mJ / cm 2 / μm or less at an outer edge extending in a major axis direction of the first band-shaped region. Provided.

上述の条件でパルスレーザビームを照射することにより、大きな結晶粒を形成することができる。   Large crystal grains can be formed by irradiation with a pulsed laser beam under the above conditions.

図1に、本発明の実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ40、搬送チャンバ82、搬出入チャンバ83、84、レーザ光源71、ホモジナイザ72、CCDカメラ88、及びビデオモニタ89を含んで構成される。処理チャンバ40には、ベローズ67、結合部材63、65、リニアガイド機構64及びリニアモータ66等を含む直動機構60が取り付けられている。直動機構60は、処理チャンバ60内に配置されたステージ44を並進移動させることができる。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser annealing apparatus used in an embodiment of the present invention. The laser annealing apparatus includes a processing chamber 40, a transfer chamber 82, carry-in / out chambers 83 and 84, a laser light source 71, a homogenizer 72, a CCD camera 88, and a video monitor 89. A linear motion mechanism 60 including a bellows 67, coupling members 63 and 65, a linear guide mechanism 64, a linear motor 66, and the like is attached to the processing chamber 40. The linear motion mechanism 60 can translate the stage 44 disposed in the processing chamber 60.

処理チャンバ40と搬送チャンバ82がゲートバルブ85を介して結合され、搬送チャンバ82と搬出入チャンバ83、及び搬送チャンバ82と搬出入チャンバ84が、それぞれゲートバルブ86及び87を介して結合されている。処理チャンバ40、搬出入チャンバ83及び84には、それぞれ真空ポンプ91、92及び93が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。   The processing chamber 40 and the transfer chamber 82 are connected via a gate valve 85, and the transfer chamber 82 and the carry-in / out chamber 83, and the transfer chamber 82 and the carry-in / out chamber 84 are connected via gate valves 86 and 87, respectively. . Vacuum pumps 91, 92, and 93 are attached to the processing chamber 40 and the loading / unloading chambers 83 and 84, respectively, so that the inside of each chamber can be evacuated.

搬送チャンバ82内には、搬送用ロボット94が収容されている。搬送用ロボット94は、処理チャンバ40、搬出入チャンバ83及び84の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。   A transfer robot 94 is accommodated in the transfer chamber 82. The transfer robot 94 transfers the processing substrate between the processing chamber 40 and the loading / unloading chambers 83 and 84.

処理チャンバ40の上面に、レーザビーム透過用の石英窓38が設けられている。なお、石英の代わりに、BK7等の可視光学ガラスを用いてもよい。レーザ光源71から出力されたパルスレーザビームがアッテネータ76を通ってホモジナイザ72に入射する。ホモジナイザ72は、レーザビームの断面形状を細長い形状にするとともに、その長軸方向に関する強度を均一にする。ホモジナイザ72を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓38を透過し、処理チャンバ40内のステージ44上に保持された処理基板に入射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ72と処理基板との相対位置が調節されている。   A quartz window 38 for transmitting a laser beam is provided on the upper surface of the processing chamber 40. Note that visible optical glass such as BK7 may be used instead of quartz. The pulsed laser beam output from the laser light source 71 enters the homogenizer 72 through the attenuator 76. The homogenizer 72 makes the cross-sectional shape of the laser beam elongated and makes the strength in the major axis direction uniform. The laser beam that has passed through the homogenizer 72 passes through an elongated quartz window 38 corresponding to the cross-sectional shape of the beam, and is incident on a processing substrate held on a stage 44 in the processing chamber 40. The relative position of the homogenizer 72 and the processing substrate is adjusted so that the surface of the substrate coincides with the homogenized surface.

直動機構60によりステージ44が並進移動する方向は、石英窓38の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はCCDカメラ88により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ89で観察することができる。   The direction in which the stage 44 is translated by the linear motion mechanism 60 is a direction orthogonal to the longitudinal direction of the quartz window 38. As a result, a wide area on the substrate surface can be irradiated with a laser beam, and the amorphous semiconductor film formed on the surface of the substrate can be polycrystallized. The substrate surface is photographed by a CCD camera 88, and the substrate surface being processed can be observed by a video monitor 89.

図2及び図3を参照して、第1の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。   A method for manufacturing a polycrystalline film according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図2Aに、加工対象物1の断面図、及び加工対象物1の表面におけるレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。加工対象物1は、厚さ0.7mmのガラス基板2、その表面を覆う厚さ100nmの酸化シリコン膜3、及びその表面上に形成された厚さ50nmのアモルファスシリコン膜4からなる3層構造を有する。酸化シリコン膜3は、例えば化学気相成長(CVD)またはスパッタリングで形成される。アモルファスシリコン膜4は、例えば減圧CVD(LP−CVD)またはプラズマ励起型CVD(PE−CVD)で形成される。   FIG. 2A shows a cross-sectional view of the workpiece 1 and an example of a pulse energy density distribution in the minor axis direction of the laser beam on the surface of the workpiece 1. A workpiece 1 has a three-layer structure including a glass substrate 2 having a thickness of 0.7 mm, a silicon oxide film 3 having a thickness of 100 nm covering the surface, and an amorphous silicon film 4 having a thickness of 50 nm formed on the surface. Have The silicon oxide film 3 is formed by, for example, chemical vapor deposition (CVD) or sputtering. The amorphous silicon film 4 is formed by, for example, low pressure CVD (LP-CVD) or plasma enhanced CVD (PE-CVD).

ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布5はガウス分布で近似することができる。アモルファスシリコンを完全に溶融させる閾値Eth以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが入射した領域6内のアモルファスシリコン膜4が完全に溶融する。ここで「完全に」とは、シリコン膜が全厚さにわたって溶融することを意味する。   The pulse energy density distribution 5 in the minor axis direction of the beam cross section can be approximated by a Gaussian distribution. The amorphous silicon film 4 in the region 6 where the laser beam having the pulse energy density equal to or higher than the threshold Eth for completely melting the amorphous silicon is incident is completely melted. Here, “completely” means that the silicon film is melted over the entire thickness.

それよりも外側の、パルスエネルギ密度が閾値EthからEcの間の領域12においては、シリコン膜が部分的に溶融する。ここで「部分的に」とは、シリコン膜の一部は溶融するが、アモルファス状態のままで溶融しない部分も残存することを意味する。パルスエネルギ密度がEcになる位置よりも外側の領域9のアモルファスシリコン膜4は溶融しない。溶融したシリコンが固化するとき、シリコンの結晶粒が形成される。   In the region 12 outside the range where the pulse energy density is between the threshold values Eth and Ec, the silicon film is partially melted. Here, “partially” means that a part of the silicon film is melted, but a part that remains in an amorphous state and does not melt remains. The amorphous silicon film 4 in the region 9 outside the position where the pulse energy density becomes Ec is not melted. When the molten silicon solidifies, silicon crystal grains are formed.

本願発明者は、パルスエネルギ密度が閾値Ethになる位置の近傍の帯状領域7内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それよりも内側の領域8内に、小さな微結晶粒が形成され、領域12内においては、領域8内の結晶粒の大きさと帯状領域7内の結晶粒の大きさとの中間の大きさの結晶粒がランダムに分布することを発見した。ここで、「結晶粒の大きさ」は、当該領域内に分布する結晶粒の平均の大きさを意味する。   The inventor of the present application forms relatively large crystal grains in the band-like region 7 in the vicinity of the position where the pulse energy density becomes the threshold value Eth, and forms small microcrystal grains in the region 8 inside thereof. In the region 12, it has been found that crystal grains having a size intermediate between the size of the crystal grains in the region 8 and the size of the crystal grains in the band-like region 7 are randomly distributed. Here, “size of crystal grains” means the average size of crystal grains distributed in the region.

図2Bに、パルスレーザビームが照射された領域の模式的な平面図を示す。図2Bの縦方向が、ビーム入射領域の長軸方向に対応する。ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁10と中心線11との間に、長軸方向に延在する帯状領域7が配置される。帯状領域7は、ビーム入射領域の縁10からある間隔を隔てて配置されている。帯状領域7内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒13が形成される。   FIG. 2B shows a schematic plan view of the region irradiated with the pulse laser beam. The vertical direction in FIG. 2B corresponds to the long axis direction of the beam incident region. A band-like region 7 extending in the major axis direction is disposed between the edge 10 extending in the major axis direction of the beam incident region and the center line 11. The band-like region 7 is arranged at a certain distance from the edge 10 of the beam incident region. A large number of crystal grains 13 connected in the major axis direction are formed in the band-like region 7.

パルスレーザビームの短軸方向に関する強度分布はガウス分布で近似される。短軸方向の強度分布の半値幅を、ビーム幅と呼ぶこととする。実際には、加工対象物表面におけるビーム幅に相当する領域の両側にも、ガウス分布の裾野の部分のビーム成分が照射される。ビーム入射領域の縁10は、例えば、パルスエネルギ密度の最大値の10%となる部分と定義することができる。   The intensity distribution in the short axis direction of the pulse laser beam is approximated by a Gaussian distribution. The half value width of the intensity distribution in the minor axis direction is referred to as a beam width. Actually, the beam component at the base of the Gaussian distribution is irradiated on both sides of the region corresponding to the beam width on the surface of the workpiece. The edge 10 of the beam incident region can be defined as, for example, a portion that is 10% of the maximum value of the pulse energy density.

図3に、多結晶化されたシリコン膜の走査型電子顕微鏡写真(SEM写真)をスケッチした図を示す。入射したパルスレーザビームは、Nd:YLFレーザの2倍高調波(波長527nmまたは524nm)であり、パルス幅は100nsである。加工対象物表面におけるビーム断面の長軸方向の長さは5mm、ビーム幅は0.2mmである。   FIG. 3 shows a sketch of a scanning electron micrograph (SEM photograph) of a polycrystallized silicon film. The incident pulse laser beam is the second harmonic (wavelength 527 nm or 524 nm) of the Nd: YLF laser, and the pulse width is 100 ns. The length in the major axis direction of the beam cross section on the surface of the workpiece is 5 mm, and the beam width is 0.2 mm.

加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が500mJ/cmの2つのパルスレーザビームを、同一箇所に同時に照射した。このため、実効的なパルスエネルギ密度は、1J/cmになる。なお、パルスエネルギ密度は、パルスエネルギを、加工対象物表面におけるビーム断面の面積で除すことにより計算した。 Two pulsed laser beams having a pulse energy density of 500 mJ / cm 2 on the surface of the object to be processed were simultaneously irradiated to the same location. For this reason, the effective pulse energy density is 1 J / cm 2 . The pulse energy density was calculated by dividing the pulse energy by the area of the beam cross section on the surface of the workpiece.

帯状領域7内に、比較的大きな結晶粒が形成され、それらが長軸方向に連なっていることがわかる。これらの結晶粒の、短軸方向の長さは1.5〜2μm程度であり、長軸方向の大きさは0.7〜1.5μm程度である。2本の帯状領域7の間の領域8に、多数の微結晶粒が形成されている。   It can be seen that relatively large crystal grains are formed in the band-like region 7 and are continuous in the major axis direction. These crystal grains have a length in the minor axis direction of about 1.5 to 2 μm and a size in the major axis direction of about 0.7 to 1.5 μm. A large number of fine crystal grains are formed in the region 8 between the two belt-like regions 7.

また、帯状領域7よりも外側の領域12内には、領域8内の微結晶粒よりも大きく、帯状領域7内の結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに配置されていることがわかる。ランダム分布領域12よりも外側の領域9はアモルファス状態のままである。顕微鏡で観察することにより、これらの領域の境界を、色の差として検出することができる。   In addition, it can be seen that in the region 12 outside the band-like region 7, crystal grains that are larger than the fine crystal grains in the region 8 and smaller than the crystal grains in the band-like region 7 are randomly arranged. The region 9 outside the random distribution region 12 remains in an amorphous state. By observing with a microscope, the boundary between these regions can be detected as a color difference.

次に、図3に示したような種々の大きさの結晶粒が発生する機構について考察する。
図4Aに、シリコン結晶の成長速度の温度依存性を示し、図4Bに、結晶成長の核生成率の温度依存性を示す。図4Aの縦軸は、成長速度を単位「m/s」で表し、図4Bの縦軸は、核生成率を単位「1/cm・s」で表し、両者の横軸は温度を単位「K」で表す。なお、図4A及び図4Bのグラフは、1999年7月14日に行われた日本塑性加工学会シミュレーション統合システム分科会第21回FEMセミナーの資料集第22号第27〜32頁に掲載された市嶋大路(住友重機械工業株式会社)による「多結晶体の動的結晶成長過程のミクロ解析」の手法から得たものである。
Next, a mechanism for generating crystal grains of various sizes as shown in FIG. 3 will be considered.
FIG. 4A shows the temperature dependence of the growth rate of silicon crystal, and FIG. 4B shows the temperature dependence of the nucleation rate of crystal growth. The vertical axis of FIG. 4A represents the growth rate in the unit “m / s”, the vertical axis of FIG. 4B represents the nucleation rate in the unit “1 / cm 3 · s”, and the horizontal axis of both represents the temperature. Represented by “K”. The graphs of FIGS. 4A and 4B were published in the material collection No. 22 pages 27-32 of the 21st FEM seminar of the Japan Society for Technology of Plasticity Simulation Integrated System on July 14, 1999. It was obtained from the technique of “Micro analysis of dynamic crystal growth process of polycrystals” by Daiichi Ichijima (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.).

図4Aに示すように、単結晶シリコンの融点(1683K)において成長速度が0であり、温度が低下するに従って成長速度が速くなる。温度1500K近傍において、成長速度が最大値を示す。従って、溶融しているシリコンの温度が低いほど、成長速度が速くなる。なお、成長速度は、固相部分と液相部分との界面における温度勾配にも依存し、温度勾配が急峻であれば、成長速度が速い。   As shown in FIG. 4A, the growth rate is 0 at the melting point (1683K) of single crystal silicon, and the growth rate increases as the temperature decreases. In the vicinity of a temperature of 1500 K, the growth rate shows a maximum value. Therefore, the lower the temperature of the molten silicon, the faster the growth rate. The growth rate also depends on the temperature gradient at the interface between the solid phase portion and the liquid phase portion. If the temperature gradient is steep, the growth rate is fast.

図4Bに示すように、核生成率は、シリコンの融点から温度が低下するに従って大きくなり、温度600K近傍で最大値を示す。
図3に示した帯状領域7は、核生成率が低くかつ成長速度が速い好適な温度及び固液界面における好適な温度勾配であった領域と考えられる。帯状領域7とアモルファス領域9との間の領域12は、帯状領域7よりも温度が低いために核生成率が高く、かつ固液界面における温度勾配が緩やかであるために成長速度が遅かった領域と考えられる。この領域では、大きな結晶に成長する前に多くの核が発生したため、結晶粒が大きくなれなかったと考えられる。
As shown in FIG. 4B, the nucleation rate increases as the temperature decreases from the melting point of silicon, and shows a maximum value near a temperature of 600K.
The band-like region 7 shown in FIG. 3 is considered to be a region having a suitable temperature gradient with a low nucleation rate and a high growth rate and a suitable temperature gradient at the solid-liquid interface. The region 12 between the band-like region 7 and the amorphous region 9 has a higher nucleation rate because the temperature is lower than that of the band-like region 7, and a growth rate is slow because the temperature gradient at the solid-liquid interface is gentle. it is conceivable that. In this region, it is considered that many nuclei were generated before growing into a large crystal, so that the crystal grain could not be enlarged.

微結晶領域8においては、温度の低下によって核が爆発的に発生し、成長速度よりも核生成が支配的であった領域と考えられる。核生成率が急激に高くなる温度まで冷却されると、帯状領域7内の結晶成長が、新たに発生した核によって妨げられ、結晶成長が停止する。結晶成長が停止した箇所が、帯状領域7と微結晶領域8との境界に相当すると考えられる。   In the microcrystalline region 8, nuclei are explosively generated due to a decrease in temperature, and it is considered that the nucleation was dominant over the growth rate. When cooled to a temperature at which the nucleation rate increases rapidly, crystal growth in the band-like region 7 is hindered by newly generated nuclei, and crystal growth stops. It is considered that the place where the crystal growth stopped corresponds to the boundary between the band-like region 7 and the microcrystalline region 8.

より詳細には、領域12においては、溶融した層とその下地層との界面に発生した核からの結晶成長(ヘテロジニアス成長)が支配的になり、微結晶領域8においては、溶融した層の内部に発生した核からの結晶成長(ホモジニアス成長)が支配的になると考えられる。ヘテロジニアス成長が支配的な領域とホモジニアス成長が支配的な領域との境界に、大きな結晶粒が形成されると考えられる。   More specifically, in the region 12, crystal growth (heterogeneous growth) from the nucleus generated at the interface between the molten layer and the underlying layer becomes dominant, and in the microcrystalline region 8, the molten layer It is thought that crystal growth (homogeneous growth) from nuclei generated inside becomes dominant. It is considered that a large crystal grain is formed at the boundary between a region where heterogeneous growth is dominant and a region where homogeneous growth is dominant.

大きな結晶粒を形成するためには、シリコンの溶融部分を、成長速度が速くかつ核生成率の低い好適な温度勾配及び温度とすることが必要である。図2Aに示した帯状領域7の位置における温度勾配が急峻であると、好適な温度に維持される領域が狭くなり、大きな結晶粒が形成されにくい。大きな結晶粒を形成するために、帯状領域7の近傍におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにすることが好ましい。   In order to form large crystal grains, it is necessary that the molten portion of silicon has a suitable temperature gradient and temperature with a high growth rate and a low nucleation rate. When the temperature gradient at the position of the band-like region 7 shown in FIG. 2A is steep, the region maintained at a suitable temperature becomes narrow, and large crystal grains are hardly formed. In order to form large crystal grains, it is preferable to make the gradient of the pulse energy density distribution in the vicinity of the band-like region 7 gentle.

パルスエネルギ密度分布の勾配を急峻にしすぎると、核発生率が高まる。一方、パルスエネルギ密度分布の勾配を緩やかにしすぎると、成長速度が遅くなる。従って、成長速度が速くかつ核発生率の低い好適な温度及び固液界面の温度勾配とするには、パルスエネルギ密度分布の勾配に、急峻すぎず緩やかすぎない好適な範囲があるものと考えられる。   If the gradient of the pulse energy density distribution is made too steep, the nucleus generation rate increases. On the other hand, if the gradient of the pulse energy density distribution is made too gentle, the growth rate becomes slow. Therefore, it is considered that there is a suitable range in which the gradient of the pulse energy density distribution is not too steep and not too gentle to achieve a suitable temperature and a solid-liquid interface temperature gradient with a high growth rate and low nucleation rate. .

次に、図5を参照して、パルスエネルギ密度分布の好ましい形状について説明する。
図5Aは、結晶粒の大きさと、加工対象物表面におけるビーム幅との関係を示す。横軸はビーム幅を単位「μm」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μm」で表す。結晶粒の大きさは、特開2001−297983号公報に開示された結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
Next, a preferable shape of the pulse energy density distribution will be described with reference to FIG.
FIG. 5A shows the relationship between the crystal grain size and the beam width on the surface of the workpiece. The horizontal axis represents the beam width in the unit “μm”, and the vertical axis represents the crystal grain size in the unit “μm”. The size of the crystal grains was calculated using a crystal growth evaluation program disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-297993.

加工対象物は、厚さ100nmの酸化シリコン膜、及びその上に形成された厚さ50nmのアモルファスシリコン膜である。パルスレーザビームの波長は527nm、パルス幅(半値幅)は140nsとし、ビーム入射領域のうち、パルスエネルギ密度がピーク値の半分となる位置よりも外側に1μmの幅、内側に5μmの幅を持つ合計6μmの幅の領域についてシミュレーションを行った。これは、ピーク値の半分の値となる位置においてパルスエネルギ密度分布の勾配がほぼ最大を示し、この領域で大きな結晶粒が形成されるためである。   The object to be processed is a silicon oxide film having a thickness of 100 nm and an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm formed thereon. The wavelength of the pulse laser beam is 527 nm, the pulse width (half-value width) is 140 ns, and the width of the beam incident region is 1 μm outside the position where the pulse energy density is half the peak value and 5 μm inside. A simulation was performed for a region having a total width of 6 μm. This is because the gradient of the pulse energy density distribution is almost maximum at a position where the value is half the peak value, and large crystal grains are formed in this region.

ビーム入射領域の短軸方向に関する強度分布はガウス分布とした。ビーム断面の幅が5.0μm、8.3μm、16.7μm、及び83.0μmの4つの場合の各々について、種々のピーク強度でシミュレーションを行い、最大の結晶粒が得られた条件下での結晶粒の大きさを、そのビーム幅の時の結晶粒の大きさとした。ビーム断面の幅が5.0μm、8.3μm、16.7μm、及び83.0μmの場合において、それぞれパルスエネルギ密度の最大値が1100mJ/cm、1400mJ/cm、1500mJ/cm、及び1500mJ/cmの条件の時に最大の結晶粒が得られた。 The intensity distribution in the minor axis direction of the beam incident region was a Gaussian distribution. For each of the four cases where the width of the beam cross section is 5.0 μm, 8.3 μm, 16.7 μm, and 83.0 μm, simulation was performed at various peak intensities, and under the conditions that the maximum crystal grain was obtained. The size of the crystal grain was the size of the crystal grain at the beam width. When the width of the beam cross section is 5.0 μm, 8.3 μm, 16.7 μm, and 83.0 μm, the maximum value of the pulse energy density is 1100 mJ / cm 2 , 1400 mJ / cm 2 , 1500 mJ / cm 2 , and 1500 mJ, respectively. The largest crystal grain was obtained under the condition of / cm 2 .

図5Bは、ピーク強度の半分の値を示す位置におけるパルスエネルギ密度分布の勾配と、結晶粒の大きさとの関係を示す。図5Aの各評価点について、パルスエネルギ密度分布の勾配を計算し、図5Bのグラフを作成した。   FIG. 5B shows the relationship between the gradient of the pulse energy density distribution at a position showing a half value of the peak intensity and the size of the crystal grains. For each evaluation point in FIG. 5A, the gradient of the pulse energy density distribution was calculated, and the graph in FIG. 5B was created.

図5Bに示すように、パルスエネルギ密度分布の勾配が20mJ/cm/μmから増加するに従って、結晶粒が徐々に大きくなる。これは、結晶成長速度が速くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギ密度分布の勾配が170mJ/cm/μm付近で結晶粒の大きさが最大値を示し、それよりも勾配を大きくすると、結晶粒は小さくなる。これは、パルスエネルギ密度の勾配が急峻になるために、固液界面における温度勾配も急峻になり、横方向への熱拡散によって冷却速度が速くなるためと考えられる。すなわち、十分な結晶成長時間が確保されず、結晶が大きく成長する前に、多数の核が発生してしまうためと考えられる。 As shown in FIG. 5B, the crystal grains gradually increase as the gradient of the pulse energy density distribution increases from 20 mJ / cm 2 / μm. This is presumably because the crystal growth rate increases. However, when the gradient of the pulse energy density distribution is around 170 mJ / cm 2 / μm, the size of the crystal grain shows the maximum value, and when the gradient is made larger than that, the crystal grain becomes smaller. This is presumably because the gradient of the pulse energy density becomes steep, the temperature gradient at the solid-liquid interface also becomes steep, and the cooling rate increases due to thermal diffusion in the lateral direction. That is, it is considered that a sufficient crystal growth time is not secured and a large number of nuclei are generated before the crystal grows greatly.

図3に示した多結晶膜を作製したときの、パルスエネルギ密度が500mJ/cmの位置における勾配は、13mJ/cm/μmであった。図3に示した帯状領域7内の結晶粒の短軸方向に関する大きさは1.5〜2μm程度であり、これは、図5Bに示したシミュレーション結果の傾向とほぼ同じである。なお、勾配を18mJ/cm/μmとした場合にも、図5Bに示したシミュレーション結果とほぼ同様の傾向が得られた。パルスエネルギ密度が500mJ/cmの位置における勾配が10mJ/cm/μm以上であれば、図5Bに示したシミュレーション結果とほぼ同様の傾向が得られるであろう。 When the polycrystalline film shown in FIG. 3 was produced, the gradient at a position where the pulse energy density was 500 mJ / cm 2 was 13 mJ / cm 2 / μm. The size in the short axis direction of the crystal grains in the band-like region 7 shown in FIG. 3 is about 1.5 to 2 μm, which is almost the same as the tendency of the simulation result shown in FIG. 5B. Even when the gradient was set to 18 mJ / cm 2 / μm, the same tendency as the simulation result shown in FIG. 5B was obtained. If the gradient at the position where the pulse energy density is 500 mJ / cm 2 is 10 mJ / cm 2 / μm or more, a tendency similar to the simulation result shown in FIG. 5B will be obtained.

図5Bに示したシミュレーション結果から判断すると、大きな結晶粒を形成するためには、図2A及び図2Bに示した帯状領域7の位置(より厳密には、帯状領域7の外側の縁)におけるパルスエネルギ密度分布の勾配を280mJ/cm/μm以下にすることが好ましい。また、勾配を10mJ/cm/μm以上とすることが好ましい。なお、アモルファスシリコン膜の厚さを100nmにして同様のシミュレーションを行ったところ、厚さが50nmの場合とほぼ同様の傾向が得られた。 Judging from the simulation result shown in FIG. 5B, in order to form a large crystal grain, a pulse at the position of the band-like region 7 shown in FIGS. 2A and 2B (more strictly, the outer edge of the band-like region 7). The gradient of the energy density distribution is preferably 280 mJ / cm 2 / μm or less. The gradient is preferably 10 mJ / cm 2 / μm or more. When the same simulation was performed with the amorphous silicon film having a thickness of 100 nm, a tendency similar to that obtained when the thickness was 50 nm was obtained.

また、第1の実施例では、図2Bに示したように、結晶粒がランダムに分布する領域12に、レーザビームの裾野の比較的強度の高い部分が入射する。領域12に比較的強度の高いレーザビームが照射されることにより、この領域の温度が上昇する。このため、帯状領域7の温度及び固液界面における温度勾配が、大きな結晶粒を形成するために好適な条件を満たすようになる。結晶粒増大の十分な効果を得るために、領域12の幅Wを15μm以上にすることが好ましい。   Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 2B, a portion having a relatively high intensity at the base of the laser beam is incident on the region 12 where the crystal grains are randomly distributed. By irradiating the region 12 with a laser beam having a relatively high intensity, the temperature of this region rises. For this reason, the temperature of the band-like region 7 and the temperature gradient at the solid-liquid interface satisfy a suitable condition for forming large crystal grains. In order to obtain a sufficient effect of increasing crystal grains, the width W of the region 12 is preferably set to 15 μm or more.

次に、図6を参照して、パルス幅と結晶粒の大きさとの関係について説明する。
図6は、結晶粒の大きさとパルス幅との関係を示す。横軸はパルス幅を単位「ns」で表し、縦軸は結晶粒の大きさを単位「μm」で表す。結晶粒の大きさは、上述の結晶成長評価プログラムを用いて計算した。
Next, the relationship between the pulse width and the crystal grain size will be described with reference to FIG.
FIG. 6 shows the relationship between crystal grain size and pulse width. The horizontal axis represents the pulse width in the unit “ns”, and the vertical axis represents the crystal grain size in the unit “μm”. The size of the crystal grains was calculated using the above-described crystal growth evaluation program.

加工対象物、パルスレーザビームの波長は、図5で説明した条件と同じである。また、加工対象物表面におけるビーム幅は、16.7μmとした。シミュレーション方法は、図5で説明した方法と同様である。   The processing object and the wavelength of the pulse laser beam are the same as the conditions described in FIG. In addition, the beam width on the surface of the object to be processed was 16.7 μm. The simulation method is the same as the method described in FIG.

パルス幅を長くすると、形成される結晶粒が大きくなることがわかる。これは、パルス幅が長くなるに従って温度低下が緩やかになり、その結果、溶融部分が好適な温度に維持される時間が長くなるためと考えられる。ところが、パルスエネルギが一定の条件下でパルス幅を長くすると、パルスレーザビームのピーク強度が低下し、十分なパワー密度を維持できなくなる。従って、パルス幅の上限は、使用するレーザ光源の出力特性によって制限される。   It can be seen that when the pulse width is increased, the formed crystal grains become larger. This is presumably because the temperature drop gradually decreases as the pulse width becomes longer, and as a result, the time during which the melted portion is maintained at a suitable temperature becomes longer. However, if the pulse width is increased under the condition where the pulse energy is constant, the peak intensity of the pulse laser beam is lowered, and a sufficient power density cannot be maintained. Therefore, the upper limit of the pulse width is limited by the output characteristics of the laser light source used.

レーザ光源としてエキシマレーザを使用する場合には、一般的にパルス幅が70ns以下である。一般的に、Nd:YLFレーザ等の全固体レーザには、パルス幅が20〜30nsのものや、100ns以上のものがある。より大きな結晶粒を形成するためには、パルス幅が100ns以上のものを使用することが好ましい。   When an excimer laser is used as the laser light source, the pulse width is generally 70 ns or less. In general, all solid-state lasers such as Nd: YLF lasers have pulse widths of 20 to 30 ns and those of 100 ns or more. In order to form larger crystal grains, it is preferable to use those having a pulse width of 100 ns or more.

以上、シリコン溶融部分の温度状態を好適化するために、パルスエネルギ密度分布の形状及びパルス幅に着目して考察を行ったが、パルスレーザビームの入射後、溶融部分が完全に固化する前に、同じ位置に再度パルスレーザビームを入射させることによっても、温度状態を制御することが可能である。   As described above, in order to optimize the temperature state of the silicon melted part, the consideration was made by paying attention to the shape and pulse width of the pulse energy density distribution, but before the melted part is completely solidified after the incidence of the pulse laser beam. The temperature state can also be controlled by re-injecting the pulse laser beam at the same position.

図7に、加工対象物に入射させるレーザビームの波形の一例を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸はレーザビームの強度を表す。時刻tに1ショット目のパルスレーザビームS1が入射し、時刻tに2ショット目のパルスレーザビームS2が入射する。1ショット目及び2ショット目のパルスレーザビームのパルス幅(半値幅)は、それぞれPW1及びPW2である。図7では、2ショット目のパルスレーザビームのピーク強度が、1ショット目のパルスレーザビームのピーク強度よりも小さい場合を示しているが、両者を同一にしてもよい。 FIG. 7 shows an example of the waveform of a laser beam incident on the workpiece. The horizontal axis represents the elapsed time, and the vertical axis represents the intensity of the laser beam. Time t 1 1 shot of the pulsed laser beam S1 is incident on, the second shot of the pulsed laser beam S2 to the time t 2 is incident. The pulse widths (half widths) of the first and second shot pulse laser beams are PW1 and PW2, respectively. Although FIG. 7 shows the case where the peak intensity of the pulse laser beam of the second shot is smaller than the peak intensity of the pulse laser beam of the first shot, both may be the same.

図7に示した1ショット目のパルスレーザビームS1の入射により、アモルファスシリコン膜が溶融する。温度の低下とともに核が発生し、核から結晶が成長する。核生成率が大きくなる温度まで冷却される前に、2ショット目のパルスレーザビームS2を入射させ、再加熱する。これにより、核生成を抑制し、結晶成長を継続させることができる。このため、大きな結晶粒を形成することが可能になる。   The amorphous silicon film is melted by the incidence of the first-shot pulse laser beam S1 shown in FIG. As the temperature decreases, nuclei are generated and crystals grow from the nuclei. Before cooling to a temperature at which the nucleation rate increases, the pulse laser beam S2 of the second shot is incident and reheated. Thereby, nucleation can be suppressed and crystal growth can be continued. For this reason, it is possible to form large crystal grains.

例えば、1ショット目の入射によって溶融した部分が完全に固化する前に、2ショット目のパルスレーザビームS2を入射させればよい。例えば1ショット目のレーザビーム入射から2ショット目のレーザビーム入射までの遅延時間を、300〜1500ns程度にすればよい。レーザ光源として全固体レーザを使用する場合には、エキシマレーザを使用する場合に比べて、遅延時間を容易に制御することができる。なお、後述するように、一旦形成された結晶粒は、アモルファス状態の部分よりも溶融しにくい。このため、一旦形成された結晶粒は、2ショット目のパルスレーザビームS2の照射によって再溶融しにくい。   For example, the pulse laser beam S2 for the second shot may be incident before the portion melted by the first shot is completely solidified. For example, the delay time from the first shot laser beam incidence to the second shot laser beam incidence may be about 300 to 1500 ns. When an all-solid-state laser is used as the laser light source, the delay time can be easily controlled compared to the case where an excimer laser is used. In addition, as will be described later, once formed crystal grains are less likely to melt than a portion in an amorphous state. For this reason, once formed crystal grains are difficult to be remelted by irradiation with the pulse laser beam S2 of the second shot.

例えば、パルスエネルギ密度のピーク値が1300mJ/cm、パルス幅140ns、ビーム幅16.7μmのパルスレーザビームを入射させたときの結晶粒の大きさは約2.1μmであった。これに対し、1ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値1300mJ/cm、2ショット目のパルスエネルギ密度のピーク値700mJ/cm、遅延時間900nsの条件で多結晶化を行ったところ、結晶粒の大きさは約4.4μmであった。このように、遅延時間を設けて2ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒を大きくすることができる。 For example, the crystal grain size was about 2.1 μm when a pulse laser beam having a peak value of pulse energy density of 1300 mJ / cm 2 , a pulse width of 140 ns, and a beam width of 16.7 μm was incident. In contrast, the peak value of the first shot of pulse energy density 1300 mJ / cm 2, 2 shot peak value 700 mJ / cm 2 pulse energy density was subjected to a multi-crystallized with the conditions of the delay time 900 ns, grain The size of was about 4.4 μm. In this way, the crystal grains can be enlarged by providing a two-shot pulse laser beam with a delay time.

1ショット目の入射によって溶融した部分が固化する前に2ショット目のパルスレーザビームを照射する方式を、ダブルパルス方式と呼ぶこととする。より一般的に、溶融したシリコンが固化する前に2ショット以上のパルスレーザビームを照射する方式をマルチパルス方式と呼ぶこととする。   A method of irradiating the pulse laser beam of the second shot before the melted portion is solidified by the incidence of the first shot is called a double pulse method. More generally, a method of irradiating a pulse laser beam of two or more shots before the molten silicon is solidified is called a multi-pulse method.

上記第1の実施例による方法では、レーザビームの強度分布をトップフラットにするためのマスクを使用しない。このため、レーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。   In the method according to the first embodiment, a mask for making the intensity distribution of the laser beam top-flat is not used. For this reason, the energy utilization efficiency of a laser beam can be improved.

また、上記第1の実施例の方法により、結晶粒が第1の方向に一列に連なった結晶粒列を形成することができる。第1の方向と直交する方向に関する結晶粒の平均の大きさを1.5μm以上にすることができる。   In addition, by the method of the first embodiment, it is possible to form crystal grain rows in which crystal grains are arranged in a row in the first direction. The average size of crystal grains in the direction orthogonal to the first direction can be 1.5 μm or more.

次に、上記第1の実施例による方法で形成された結晶粒を、基板面内方向にさらに拡大する第2の実施例について説明する。
図8に、結晶成長の様子を模式化した図を示す。図8A〜図8Gの各図は、シリコン膜の断面を表し、図の横方向が、パルスレーザビームの入射領域の短軸方向に相当する。
Next, a second embodiment in which the crystal grains formed by the method according to the first embodiment are further expanded in the in-plane direction of the substrate will be described.
FIG. 8 schematically shows the state of crystal growth. Each of FIGS. 8A to 8G represents a cross section of the silicon film, and the horizontal direction of the figure corresponds to the short axis direction of the incident region of the pulse laser beam.

図8Aに示すように、上記第1の実施例による方法でパルスレーザビームを入射させると、2本の帯状領域7の位置に、長軸方向(図8の紙面に垂直な方向)に連なる多数の結晶粒が形成される。2つの帯状領域7に挟まれた領域8には、微結晶粒が形成される。帯状領域7の各々の幅は例えば4μmである。図5A及び図5Bに示すように、レーザビームの入射条件を好適化することにより、大きさ4μm程度の結晶粒を形成することは十分可能である。   As shown in FIG. 8A, when the pulse laser beam is incident by the method according to the first embodiment, a large number of continuous stripes in the major axis direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 8) are located at the positions of the two strip regions 7. Crystal grains are formed. In the region 8 sandwiched between the two belt-like regions 7, fine crystal grains are formed. The width of each band-like region 7 is 4 μm, for example. As shown in FIGS. 5A and 5B, it is sufficiently possible to form crystal grains with a size of about 4 μm by optimizing the laser beam incidence conditions.

図8Bに、レーザビームの入射位置を短軸方向に15μm移動させ、2回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。例えば、ビーム幅が100μmであり、移動距離が15μmであるとき、オーバラップ率は85%になる。   FIG. 8B shows the crystallization state after the second irradiation by moving the incident position of the laser beam by 15 μm in the minor axis direction. For example, when the beam width is 100 μm and the moving distance is 15 μm, the overlap rate is 85%.

帯状領域7を移動方向に15μmだけ移動させた位置に、結晶粒が連なった帯状領域20が形成される。帯状領域20の幅は4μmである。2つの帯状領域20に挟まれた領域のアモルファスシリコン膜、微結晶粒、及び小さな結晶粒は溶融するが、後述するように、帯状領域7内の大きな結晶粒は溶融しにくい。実際には、帯状領域7内の結晶粒は部分的に溶融するが、一部分は結晶のまま残存する。温度が低下するに従って、帯状領域7内に残存する結晶粒が種結晶となり、結晶成長が生じる。   A band-shaped region 20 in which crystal grains are continuous is formed at a position where the band-shaped region 7 is moved by 15 μm in the moving direction. The width of the band-like region 20 is 4 μm. The amorphous silicon film, fine crystal grains, and small crystal grains in the region sandwiched between the two strip regions 20 are melted, but as will be described later, the large crystal grains in the strip region 7 are difficult to melt. Actually, the crystal grains in the band-like region 7 are partially melted, but a part remains as crystals. As the temperature decreases, the crystal grains remaining in the band-like region 7 become seed crystals and crystal growth occurs.

1回目の照射で発生する結晶粒の大きさと同程度の結晶成長が生じると仮定すると、帯状領域7の両側に成長する結晶の長さは、4μm程度になる。このため、移動方向の前方側に位置する帯状領域7を中心として、幅12μm程度の多結晶領域7aが形成される。帯状領域7aと、移動方向の前方側に位置する帯状領域20との間の微結晶領域15の幅は約7μmになる。移動方向の後方側に位置する帯状領域7の周辺のアモルファスシリコン膜、微結晶粒、及び小さな結晶粒は溶融しないため、結晶成長は生じない。   Assuming that crystal growth similar to the size of the crystal grains generated by the first irradiation occurs, the length of the crystal growing on both sides of the band-like region 7 is about 4 μm. For this reason, a polycrystalline region 7a having a width of about 12 μm is formed around the band-like region 7 located on the front side in the moving direction. The width of the microcrystalline region 15 between the strip region 7a and the strip region 20 located on the front side in the moving direction is about 7 μm. Since the amorphous silicon film, fine crystal grains, and small crystal grains around the band-like region 7 located on the rear side in the movement direction are not melted, crystal growth does not occur.

図8Cに、レーザビームの入射位置を短軸方向にさらに15μm移動させ、3回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
帯状領域20を移動方向に15μmだけ移動させた位置に、結晶粒が連なった帯状領域21が形成される。帯状領域21の幅は4μmである。さらに、帯状領域7a及び移動方向の前方側に位置する帯状領域20内の結晶粒を種結晶として、結晶成長が生じる。
FIG. 8C shows the crystallization state after the third irradiation by moving the incident position of the laser beam further 15 μm in the minor axis direction.
A band-like region 21 in which crystal grains are continuous is formed at a position where the band-like region 20 is moved by 15 μm in the moving direction. The width of the strip region 21 is 4 μm. Furthermore, crystal growth occurs using the crystal grains in the band-like region 7a and the band-like region 20 located on the front side in the moving direction as seed crystals.

帯状領域7aから、移動方向の後方側に向かって、約4μmの結晶が成長する。同時に、帯状領域20から、移動方向の前方側に向かって、約4μmの結晶が成長する。帯状領域7aと帯状領域20とに挟まれた領域15おいては、両側から中心に向かって結晶成長が生じる。領域15の幅は、約7μmであるため、両側からそれぞれ3.5μmずつ成長した時点で、結晶粒同士が衝突し、結晶成長が止まる。   A crystal of about 4 μm grows from the band-like region 7a toward the rear side in the moving direction. At the same time, a crystal of about 4 μm grows from the band-like region 20 toward the front side in the moving direction. In the region 15 sandwiched between the strip region 7a and the strip region 20, crystal growth occurs from both sides toward the center. Since the width of the region 15 is about 7 μm, the crystal grains collide with each other and the crystal growth stops when the region 15 grows by 3.5 μm from both sides.

これにより、帯状領域7aを含む幅19.5μmの帯状領域7bが形成され、帯状領域20を含む幅11.5μmの帯状領域20aが形成される。帯状領域7b及び20a内には、長軸方向に連なった多数の結晶粒が形成されている。領域15の中心線16に沿って結晶粒界が配列する。なお、結晶粒同士が衝突するため、中心線16の位置に、山脈状の凸部が形成される。   As a result, a band-like region 7b having a width of 19.5 μm including the band-like region 7a is formed, and a band-like region 20a having a width of 11.5 μm including the band-like region 20 is formed. A large number of crystal grains connected in the major axis direction are formed in the band-like regions 7b and 20a. Grain boundaries are arranged along the center line 16 of the region 15. Since crystal grains collide with each other, a mountain-shaped convex portion is formed at the position of the center line 16.

図8Dに、レーザビームの入射位置を短軸方向にさらに15μm移動させ、4回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
帯状領域21を移動方向の前方に15μmだけ移動させた位置に、帯状領域22が形成される。帯状領域20a内の結晶粒を種結晶として、移動方向の前方側に結晶が成長し、帯状領域21内の結晶粒を種結晶として、その両側に結晶が成長する。これにより、幅15μmの帯状領域20b、及び幅11.5μmの帯状領域21aが形成される。
FIG. 8D shows the crystallization state after the fourth irradiation by moving the incident position of the laser beam further by 15 μm in the minor axis direction.
A belt-like region 22 is formed at a position where the belt-like region 21 is moved forward by 15 μm in the moving direction. A crystal grows on the front side in the moving direction using the crystal grains in the band-shaped region 20a as a seed crystal, and a crystal grows on both sides using the crystal grains in the band-shaped region 21 as a seed crystal. As a result, a strip-shaped region 20b having a width of 15 μm and a strip-shaped region 21a having a width of 11.5 μm are formed.

図8E〜図8Gに、それぞれレーザビームの入射位置を短軸方向に15μmずつ移動させ、5〜7回目の照射を行った後の結晶化状態を示す。
第5回目の照射により、新たに帯状領域23が発生すると同時に、帯状領域21a及び22が広がり、帯状領域21b及び22aが形成される。第6回目の照射により、帯状領域22a及び23が広がり、帯状領域22b及び23aが形成される。第7回目の照射により、帯状領域23aが広がり、帯状領域23bが形成される。
FIG. 8E to FIG. 8G show the crystallization state after the irradiation position of the laser beam is moved by 15 μm in the minor axis direction and the 5th to 7th irradiations are performed.
By the fifth irradiation, a new band-like region 23 is generated, and at the same time, the band-like regions 21a and 22 are spread to form the band-like regions 21b and 22a. By the sixth irradiation, the band-like regions 22a and 23 are spread, and the band-like regions 22b and 23a are formed. By the seventh irradiation, the band-like region 23a is expanded and the band-like region 23b is formed.

このように、レーザビームの入射位置を短軸方向に移動させながら照射を繰り返すことにより、アモルファスシリコン膜のほぼ全面を多結晶化させることができる。   As described above, by repeating irradiation while moving the incident position of the laser beam in the minor axis direction, almost the entire surface of the amorphous silicon film can be polycrystallized.

図9に、図8に示した方法で作製した多結晶膜のSEM写真をスケッチした図を示す。複数の帯状領域25が観察される。各帯状領域25の幅は約15μmであり、帯状領域25内に、長軸方向に連なった多数の結晶粒が形成されている。相互に隣り合う帯状領域25の境界には、山脈状の突起26が形成されている。   FIG. 9 shows a sketch of an SEM photograph of a polycrystalline film produced by the method shown in FIG. A plurality of band-like regions 25 are observed. Each band 25 has a width of about 15 μm, and a large number of crystal grains connected in the major axis direction are formed in the band 25. Mountain-shaped projections 26 are formed at the boundaries between the strip-like regions 25 adjacent to each other.

次に、図10を参照して、全面を多結晶化するための条件について説明する。パルスレーザビームの入射位置を移動させる時のオーバラップ率を小さくすると、図8Cに示した微結晶領域15の幅が拡がり、領域15の両側から成長する結晶粒同士が衝突する前に、レーザビームの入射領域が領域15から外れてしまう。また、オーバラップ率を一定に保っても、1照射あたりの結晶成長の長さが短くなると同様の現象が生じる。このため、1照射あたりの結晶成長の長さが短い場合には、オーバラップ率を高くしなければならない。   Next, conditions for polycrystallizing the entire surface will be described with reference to FIG. When the overlap rate when moving the incident position of the pulse laser beam is reduced, the width of the microcrystalline region 15 shown in FIG. 8C is expanded, and before the crystal grains growing from both sides of the region 15 collide with each other, the laser beam The incident region is deviated from the region 15. Even if the overlap rate is kept constant, the same phenomenon occurs when the length of crystal growth per irradiation is shortened. For this reason, when the length of crystal growth per irradiation is short, the overlap rate must be increased.

図10に、1照射あたりの結晶成長の長さと、必要なオーバラップ率との関係を示す。横軸は、1照射あたりの結晶成長の長さを単位「μm」で表し、縦軸は、オーバラップ率を単位「%」で表す。例えば、1照射あたりの結晶成長の長さが10μmであるとき、オーバラップ率を70%以上にすればよい。1照射あたりの結晶成長の長さが短くなると、全面を多結晶化するために必要なオーバラップ率が高くなることがわかる。   FIG. 10 shows the relationship between the length of crystal growth per irradiation and the required overlap rate. The horizontal axis represents the length of crystal growth per irradiation in the unit “μm”, and the vertical axis represents the overlap rate in the unit “%”. For example, when the length of crystal growth per irradiation is 10 μm, the overlap rate may be 70% or more. It can be seen that when the length of crystal growth per irradiation is shortened, the overlap ratio required for polycrystallizing the entire surface is increased.

全面を多結晶化するためには、図8Bに示した微結晶領域15の両側から成長する結晶粒同士が衝突するまで、微結晶領域15の中心線16が、レーザビーム照射によるシリコンの溶融領域内に収まるように、オーバラップ率を設定すればよい。   In order to polycrystallize the entire surface, the center line 16 of the microcrystalline region 15 becomes a silicon melting region by laser beam irradiation until crystal grains growing from both sides of the microcrystalline region 15 shown in FIG. 8B collide with each other. What is necessary is just to set an overlap rate so that it may fall within.

次に、図11を参照して、アモルファスシリコン膜を多結晶化する場合のレーザビームの好ましい波長について説明する。
図11に、アモルファスシリコンと単結晶シリコンとの光吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「nm」で表し、縦軸は吸収係数を単位「×10cm−1」で表す。図中の黒丸及び白丸は、それぞれ単結晶シリコンの吸収係数及びアモルファスシリコンの吸収係数を示す。
Next, a preferable wavelength of the laser beam when the amorphous silicon film is polycrystallized will be described with reference to FIG.
FIG. 11 shows the wavelength dependence of the light absorption coefficient of amorphous silicon and single crystal silicon. The horizontal axis represents the wavelength in the unit “nm”, and the vertical axis represents the absorption coefficient in the unit “× 10 7 cm −1 ”. Black circles and white circles in the figure indicate the absorption coefficient of single crystal silicon and the absorption coefficient of amorphous silicon, respectively.

波長が約340nm以上の領域で、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも大きいことがわかる。特に、波長400nm〜600nmの範囲においては、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも一桁以上大きい。一旦形成された結晶粒を種結晶として結晶成長を行う場合には、結晶粒を溶融させることなくアモルファスの領域を溶融させることが好ましい。実際に形成された結晶粒の分布する領域は単結晶ではなく多結晶である。多結晶シリコンの吸収係数は、結晶粒の大きさに依存し、単結晶とアモルファスとの中間の吸収係数になる。結晶粒が大きくなると、単結晶の吸収係数に近づき、結晶粒が小さくなると、アモルファスの吸収係数に近づく。   It can be seen that the absorption coefficient of amorphous silicon is larger than that of single crystal silicon in a wavelength region of about 340 nm or more. In particular, in the wavelength range of 400 nm to 600 nm, the absorption coefficient of amorphous silicon is one digit or more larger than that of single crystal silicon. When crystal growth is performed using once formed crystal grains as seed crystals, it is preferable to melt the amorphous region without melting the crystal grains. The region in which the actually formed crystal grains are distributed is not a single crystal but a polycrystal. The absorption coefficient of polycrystalline silicon depends on the size of crystal grains, and is an intermediate absorption coefficient between single crystal and amorphous. When the crystal grain becomes large, it approaches the absorption coefficient of the single crystal, and when the crystal grain becomes small, it approaches the absorption coefficient of amorphous.

従って、図2Bに示した帯状領域7内の大きな結晶粒を溶融させることなく、アモルファス領域9、ランダム分布領域12、及び微結晶領域8を優先的に溶融させるために、波長340nm以上のパルスレーザビームを使用することが好ましい。波長が長くなりすぎると吸収係数が低下するため、使用するパルスレーザビームの波長を900nm以下とすることが好ましい。   Therefore, in order to preferentially melt the amorphous region 9, the random distribution region 12, and the microcrystalline region 8 without melting large crystal grains in the band-like region 7 shown in FIG. 2B, a pulse laser having a wavelength of 340 nm or more is used. It is preferable to use a beam. If the wavelength becomes too long, the absorption coefficient decreases, so the wavelength of the pulse laser beam to be used is preferably 900 nm or less.

エキシマレーザの波長域(約308nm)においては、アモルファスシリコンの吸収係数が、波長340〜900nmにおける吸収係数よりも高い。このため、アモルファスシリコン膜の表面近傍でのみ吸収が生じ、厚さ方向に関して温度勾配が生じてしまう。これに対し、波長340〜900nmのレーザビームを使用すると、アモルファスシリコン膜の比較的深い領域までレーザビームが侵入し、厚さ方向に関してほぼ均等に加熱される。このため、より高品質な結晶を形成することができる。   In the excimer laser wavelength region (approximately 308 nm), the absorption coefficient of amorphous silicon is higher than the absorption coefficient at wavelengths of 340 to 900 nm. For this reason, absorption occurs only in the vicinity of the surface of the amorphous silicon film, and a temperature gradient occurs in the thickness direction. On the other hand, when a laser beam having a wavelength of 340 to 900 nm is used, the laser beam penetrates to a relatively deep region of the amorphous silicon film and is heated almost uniformly in the thickness direction. For this reason, a higher quality crystal can be formed.

次に、図12を参照して、第3の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図12Aに、照射するレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布と多結晶化される領域との関係を示す。パルスエネルギ密度の最も高い部分が入射する領域35内に微結晶が形成され、その両側に、大きな結晶粒が長軸方向に連なった帯状領域30A及び30Bが形成される。微結晶粒が形成された領域35の幅が、帯状領域30A及び30Bの各々の幅とほぼ等しくなるように、ビーム幅が設定されている。
Next, with reference to FIG. 12, the manufacturing method of the polycrystalline film by the 3rd Example is demonstrated.
FIG. 12A shows the relationship between the pulse energy density distribution in the minor axis direction of the irradiated laser beam and the region to be polycrystallized. Microcrystals are formed in the region 35 where the portion having the highest pulse energy density is incident, and strip regions 30A and 30B in which large crystal grains are continuous in the major axis direction are formed on both sides thereof. The beam width is set so that the width of the region 35 where the microcrystal grains are formed is approximately equal to the width of each of the strip-like regions 30A and 30B.

レーザビームの入射位置を、短軸方向に、帯状領域30Aの幅と等しい距離だけ移動させて第2回目のレーザ照射を行う。
図12Bに示すように、既に結晶粒が形成されている帯状領域30Aと30Bとの間に、大きな結晶粒が連なった帯状領域31Aが形成される。同時に、移動方向の前方側に位置する帯状領域30Bの前方側に、帯状領域31Bが形成される。
The second laser irradiation is performed by moving the incident position of the laser beam in the minor axis direction by a distance equal to the width of the band-like region 30A.
As shown in FIG. 12B, a band-shaped region 31A in which large crystal grains are continuous is formed between the band-shaped regions 30A and 30B in which crystal grains are already formed. At the same time, a belt-like region 31B is formed on the front side of the belt-like region 30B located on the front side in the moving direction.

このように、2回の照射によって、4つの帯状領域30A、31A、30B、及び31Bが形成される。相互に隣り合う帯状領域内の結晶粒同士は、相互に接触する。同様の工程を繰り返すことにより、全面を多結晶化することができる。
なお、温度条件によっては、図12Aに示した領域35内に発生した核から新たに結晶粒が成長するのではなく、両側の帯状領域30A及び30B内の結晶粒を種結晶として、結晶成長が生じる場合もあるであろう。
In this way, four belt-like regions 30A, 31A, 30B, and 31B are formed by two irradiations. Crystal grains in the band-like regions adjacent to each other are in contact with each other. By repeating the same process, the entire surface can be polycrystallized.
Depending on the temperature condition, the crystal growth may not be performed from the nuclei generated in the region 35 shown in FIG. 12A, but the crystal grains in the band-like regions 30A and 30B on both sides may be used as seed crystals. It may happen.

次に、図13を参照して、第4の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図13Aに、照射するレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布と多結晶化される領域との関係を示す。パルスエネルギ密度の最高値に対応する位置の両側に、大きな結晶粒が長軸方向に連なった帯状領域36A及び36Bが形成される。ビーム幅が狭いため、帯状領域36A内の核から発生した結晶粒と、帯状領域36B内の核から発生した結晶粒とが相互に接触する。両者の接触した線38に沿って、結晶粒界が配列する。
Next, with reference to FIG. 13, the manufacturing method of the polycrystalline film by the 4th Example is demonstrated.
FIG. 13A shows the relationship between the pulse energy density distribution in the minor axis direction of the laser beam to be irradiated and the polycrystallized region. On both sides of the position corresponding to the maximum value of the pulse energy density, band-like regions 36A and 36B in which large crystal grains are continuous in the major axis direction are formed. Since the beam width is narrow, the crystal grains generated from the nuclei in the band-shaped region 36A and the crystal grains generated from the nuclei in the band-shaped region 36B are in contact with each other. A grain boundary is arranged along the line 38 in which both are in contact.

帯状領域36Aと36Bとの合計の幅だけ、レーザビームの入射位置を短軸方向に移動させ、2回目の照射を行う。
図13Bに示すように、相互に接する帯状領域37Aと37Bとが形成される。移動方向の後方側に位置する帯状領域37Aが、1回目の照射で形成された移動方向の前方側に位置する帯状領域36Bに接する。同様の工程を繰り返すことにより、全面を多結晶化することができる。
The incident position of the laser beam is moved in the minor axis direction by the total width of the strip regions 36A and 36B, and the second irradiation is performed.
As shown in FIG. 13B, strip-shaped regions 37A and 37B that are in contact with each other are formed. The band-like region 37A located on the rear side in the movement direction is in contact with the band-like region 36B located on the front side in the movement direction formed by the first irradiation. By repeating the same process, the entire surface can be polycrystallized.

第3及び第4の実施例において照射するパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布を、第1の実施例で説明した好適な形状にすることにより、大きな結晶粒を形成することができる。また、図7に示したように、同じ位置に、2ショットのパルスレーザビームを入射させることにより、結晶粒をより大きくすることができる。   Large crystal grains can be formed by setting the pulse energy density distribution of the pulse laser beam irradiated in the third and fourth embodiments to the preferred shape described in the first embodiment. Further, as shown in FIG. 7, the crystal grains can be made larger by making a two-shot pulse laser beam incident on the same position.

次に、図14〜図15Cを参照して、第5の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図14に、加工対象物1のレーザビーム入射位置近傍の断面図、及びビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布の一例を示す。一般的にパルスエネルギ密度は、パルスエネルギをビーム断面の面積で除することにより求められる。この計算で求められるパルスエネルギ密度は、厳密には、ビーム断面内における平均値である。ビーム断面内の光強度が一定ではないため、パルスエネルギ密度も一定ではない。光強度分布がガウス分布で近似される場合、パルスエネルギ密度分布もガウス分布で近似される。
Next, with reference to FIGS. 14-15C, the manufacturing method of the polycrystalline film by 5th Example is demonstrated.
FIG. 14 shows an example of a cross-sectional view of the workpiece 1 near the laser beam incident position and an example of a pulse energy density distribution in the minor axis direction of the beam cross section. In general, the pulse energy density is obtained by dividing the pulse energy by the area of the beam cross section. Strictly speaking, the pulse energy density obtained by this calculation is an average value in the beam cross section. Since the light intensity in the beam cross section is not constant, the pulse energy density is also not constant. When the light intensity distribution is approximated by a Gaussian distribution, the pulse energy density distribution is also approximated by a Gaussian distribution.

図14に示すように、加工対象物は、図2Aを参照して説明した第1の実施例の場合と同様に、ガラス基板2の上に酸化シリコン膜3、及びアモルファスシリコン膜4が積層された積層基板である。パルスレーザビームの入射位置が図14の右方に移動する。   As shown in FIG. 14, the object to be processed is formed by laminating a silicon oxide film 3 and an amorphous silicon film 4 on a glass substrate 2 as in the case of the first embodiment described with reference to FIG. 2A. Laminated substrate. The incident position of the pulse laser beam moves to the right in FIG.

図1に示したホモジナイザ72を通過したレーザビームの一部が遮光板18で遮光され、結像光学装置19を介してアモルファスシリコン膜4に入射する。遮光板18は、ビーム断面の短軸方向に関するパルスエネルギ密度分布の裾野の部分の光を遮光する。結像光学装置19は、遮光板18の配置された位置におけるビーム断面を、アモルファスシリコン膜4の表面に結像させる。結像倍率は例えば1倍である。   A part of the laser beam that has passed through the homogenizer 72 shown in FIG. 1 is shielded by the light shielding plate 18 and enters the amorphous silicon film 4 via the imaging optical device 19. The light shielding plate 18 shields light at the base of the pulse energy density distribution in the minor axis direction of the beam cross section. The imaging optical device 19 images the beam cross section at the position where the light shielding plate 18 is disposed on the surface of the amorphous silicon film 4. The imaging magnification is, for example, 1.times.

遮光板18が配置されていない場合には、アモルファスシリコン膜4の表面におけるパルスレーザビームの短軸方向に関するパルスエネルギ密度の分布はガウス分布で近似される。すなわち、パルスエネルギ密度は、中央部で強く、縁に近づくに従って弱くなる。なお、パルスエネルギ密度の分布は必ずしもガウス分布である必要はなく、一般的に中央部で強く、縁に近づくに従って弱くなる分布でもよい。   When the light shielding plate 18 is not disposed, the pulse energy density distribution in the short axis direction of the pulse laser beam on the surface of the amorphous silicon film 4 is approximated by a Gaussian distribution. That is, the pulse energy density is strong at the center and becomes weaker as it approaches the edge. The distribution of the pulse energy density is not necessarily a Gaussian distribution, and may be a distribution that is generally strong at the center and weaker as it approaches the edge.

パルスレーザビームの入射位置の進行方向の後方側の裾野のうち、パルスエネルギ密度がE以下の部分が遮光板18で遮光されており、前方側においては、パルスエネルギ密度がE以下の部分が遮光されている。パルスエネルギ密度Eは、Eよりも低い。 Of pulsed laser beam traveling direction of the rear side of the skirt of the incident position of, and the pulse energy density is below the portion E H is shielded by the light shielding plate 18, in the front, partial pulse energy density is less than E L Is shaded. The pulse energy density E L is lower than E H.

実際には、遮光板18で遮光されたビーム断面の縁において光強度が直ちに0にはならず、ビーム断面は遮光された位置よりも6μm程度外側まで広がっていた。なお、ビーム断面の縁は、光強度が、ピーク値の20%になる位置とした。   Actually, the light intensity does not immediately become 0 at the edge of the beam cross section shielded by the light shielding plate 18, and the beam cross section extends to the outside by about 6 μm from the light shielded position. The edge of the beam cross section was set at a position where the light intensity was 20% of the peak value.

このようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを、アモルファスシリコン膜4に1ショット入射させる。アモルファスシリコン膜4が完全に溶融する閾値以上のパルスエネルギ密度のレーザビームが照射された領域が溶融する。パルスエネルギ密度Eがこの閾値以上である場合、パルスレーザビームに照射された全領域が溶融する。溶融した部分が冷却される時に、溶融部分の縁から内部に向かって結晶が成長する。 A pulse laser beam having such a pulse energy density distribution is incident on the amorphous silicon film 4 for one shot. A region irradiated with a laser beam having a pulse energy density equal to or higher than a threshold value at which the amorphous silicon film 4 is completely melted is melted. When the pulse energy density E L is equal to or higher than this threshold value, the entire region irradiated with the pulse laser beam is melted. When the molten part is cooled, crystals grow from the edge of the molten part toward the inside.

図15Aに示すように、パルスレーザビームの入射位置の移動方向の後方側の縁に、ビーム断面の長軸方向に配列した多数の結晶粒100aが形成され、前方側の縁に多数の結晶粒101aが形成される。結晶粒100aが形成された領域と結晶粒101aが形成された領域とに挟まれた領域には、図3に示した領域8と同様に、微結晶粒が形成される。成長する結晶の長さは、溶融部分の温度と固液界面における温度勾配に依存する。後方側の縁における温度及び温度勾配と、前方側の縁における温度及び温度勾配とは、相互に異なる。このため、溶融した領域の両側の縁から成長した結晶の長さは、相互に異なる。   As shown in FIG. 15A, a large number of crystal grains 100a arranged in the major axis direction of the beam cross section are formed at the rear edge in the moving direction of the incident position of the pulse laser beam, and a large number of crystal grains are formed at the front edge. 101a is formed. In the region sandwiched between the region where the crystal grain 100a is formed and the region where the crystal grain 101a is formed, fine crystal grains are formed as in the region 8 shown in FIG. The length of the crystal to grow depends on the temperature of the molten part and the temperature gradient at the solid-liquid interface. The temperature and temperature gradient at the rear edge and the temperature and temperature gradient at the front edge are different from each other. For this reason, the lengths of the crystals grown from the edges on both sides of the melted region are different from each other.

後方側の縁における温度及び温度勾配が、結晶成長に好ましい条件である場合、後方側の縁に形成された結晶粒100aが、前方側の縁に形成された結晶粒101aよりも大きくなる。例えば、後方側の縁に形成された結晶粒100aの横方向の寸法を7〜8μmにすることができた。   When the temperature and temperature gradient at the rear edge are favorable conditions for crystal growth, the crystal grain 100a formed at the rear edge is larger than the crystal grain 101a formed at the front edge. For example, the lateral dimension of the crystal grain 100a formed at the rear edge could be 7-8 μm.

次に、パルスレーザビームの入射位置をビーム断面の短軸方向に移動させ、パルスレーザビームを1ショット入射させる。入射位置の移動距離は、新たに照射するパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が、結晶粒100aに接するかまたは重なる距離とする。前回の照射時に前方側の縁に形成された結晶粒101aは、今回の照射により溶融する。   Next, the incident position of the pulse laser beam is moved in the minor axis direction of the beam cross section, and the pulse laser beam is incident on one shot. The moving distance of the incident position is a distance at which the rear edge of the beam section of the pulse laser beam to be newly irradiated is in contact with or overlaps the crystal grain 100a. The crystal grains 101a formed at the front edge during the previous irradiation are melted by the current irradiation.

図15Bに示すように、今回の照射で溶融した領域の後方側の縁においては、結晶粒100aを種結晶として横方向に結晶が成長し、結晶粒100aを内包する大きな結晶粒100bが形成される。今回照射したパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が結晶粒100aに接する場合、結晶粒100bの横方向の寸法は、結晶粒100aの寸法の約2倍の14〜16μmになる。   As shown in FIG. 15B, at the rear edge of the region melted by the current irradiation, the crystal grows in the lateral direction using the crystal grain 100a as a seed crystal, and a large crystal grain 100b including the crystal grain 100a is formed. The When the edge on the rear side of the beam cross section of the pulse laser beam irradiated this time is in contact with the crystal grain 100a, the horizontal dimension of the crystal grain 100b is 14 to 16 μm, which is approximately twice the dimension of the crystal grain 100a.

パルスレーザビームの入射位置を、前回のショットで照射された領域と、今回のショットで照射される領域とが部分的に重なるように移動させながら、パルスレーザビームの照射を繰り返す。移動距離は、新たに照射するパルスレーザビームのビーム断面の後方側の縁が、前回の照射で形成された後方側の結晶粒に接するかまたは重なる距離とする。   The pulse laser beam irradiation is repeated while moving the incident position of the pulse laser beam so that the region irradiated with the previous shot and the region irradiated with the current shot partially overlap. The moving distance is a distance at which the rear edge of the cross section of the pulse laser beam to be newly irradiated is in contact with or overlaps the rear crystal grain formed by the previous irradiation.

図15Cに示すように、結晶粒が横方向に成長し、大きな結晶粒100cが形成される。図15Bの時点で、ビーム断面の前方側の縁に形成されていた小さな結晶粒101bは、その後のパルスレーザビームの照射によって溶融し、消滅する。   As shown in FIG. 15C, the crystal grains grow in the lateral direction, and large crystal grains 100c are formed. At the time of FIG. 15B, the small crystal grains 101b formed at the front edge of the beam cross section are melted and disappeared by the subsequent irradiation with the pulse laser beam.

第5の実施例では、遮光板18で画定されたビーム断面の後方側の縁から結晶が成長する。第1の実施例の場合には、図3に示したように大きな結晶粒の発生する帯状領域7が蛇行している。第5の実施例では、結晶粒100aの形成される位置が遮光板18により人為的に決まるため、結晶粒100aの連なった帯状領域が蛇行することなく、ほぼ直線に沿った形状になる。このため、2回目の照射時に、ビーム断面の後方側の縁が、結晶粒100aの連なった帯状領域に接するように、容易に位置決めすることができる。   In the fifth embodiment, crystals grow from the rear edge of the beam cross section defined by the light shielding plate 18. In the case of the first embodiment, as shown in FIG. 3, the band-like region 7 where large crystal grains are generated meanders. In the fifth embodiment, since the position where the crystal grains 100a are formed is artificially determined by the light shielding plate 18, the band-like region where the crystal grains 100a are continuous does not meander and has a shape substantially along a straight line. For this reason, at the time of the second irradiation, the rear edge of the beam cross section can be easily positioned so as to be in contact with the band-like region where the crystal grains 100a are continuous.

また、結晶成長の方向も、ビーム断面の長軸に直交する方向に揃う。多結晶膜に能動素子を形成する場合、形成すべき能動素子の電流方向と、結晶成長の方向とを平行にすることにより、結晶粒界に起因するキャリア移動度の低下を抑制することができる。   The crystal growth direction is also aligned in a direction perpendicular to the long axis of the beam cross section. When an active element is formed in a polycrystalline film, a decrease in carrier mobility caused by a crystal grain boundary can be suppressed by making the current direction of the active element to be formed parallel to the direction of crystal growth. .

上記実施例では、1ショットのパルスレーザビームを入射させる度に、入射位置を移動させたが、図7を参照して説明したように、同じ位置に2ショットのパルスレーザビームを入射させるダブルパルス方式を採用してもよいし、マルチパルス方式を採用してもよい。これにより、形成される結晶粒を大きくすることができる。   In the above embodiment, the incident position is moved each time a one-shot pulse laser beam is incident. However, as described with reference to FIG. 7, a double pulse that causes a two-shot pulse laser beam to enter the same position. A method may be adopted, or a multi-pulse method may be adopted. Thereby, the crystal grain formed can be enlarged.

図14に示したパルスエネルギ密度分布の裾野のうち遮光すべき好ましい領域、すなわちパルスエネルギ密度E及びEの好ましい大きさは、遮光領域の大きさ(幅)を変えて複数の評価実験を行うことにより求めることができる。 A preferable region to be shielded among the skirts of the pulse energy density distribution shown in FIG. 14, that is, the preferred sizes of the pulse energy densities E H and E L are obtained by changing the size (width) of the light shielding region. It can be determined by doing.

以下、実際に行った評価実験の結果について説明する。レーザ光源から出射されたレーザビームを、幅100μm、長さ17mmのビーム断面を有する長尺ビームに成形した。このビーム断面の幅方向の両側を遮光板で遮光し、幅22μmの断面形状とし、このビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させた。なお、ビーム断面の幅は、光強度分布の半値幅である。   Hereinafter, the result of the evaluation experiment actually performed will be described. The laser beam emitted from the laser light source was shaped into a long beam having a beam cross section with a width of 100 μm and a length of 17 mm. Both sides of the beam cross section in the width direction were shielded by a light shielding plate to form a cross section having a width of 22 μm, and this beam cross section was imaged on the surface of the amorphous silicon film. The width of the beam cross section is the half width of the light intensity distribution.

レーザ光源を2台用い、1ショット目及び2ショット目のパルスレーザビームの、アモルファスシリコン膜表面におけるパルスエネルギ密度を、それぞれ550mJ/cm及び500mJ/cmとし、遅延時間を100nsとしたダブルパルス方式を採用した。 Using two laser light sources, the first shot and the second shot of the pulsed laser beam, a pulse energy density in the amorphous silicon film surface, respectively with 550 mJ / cm 2 and 500 mJ / cm 2, double pulses and 100ns delay time The method was adopted.

この条件で、2ショットのパルスレーザビームを照射することにより、ビーム断面の走査方向後方側に形成される結晶粒100aの幅が3.1μmになった。3μmのピッチでパルスレーザビームが入射するように、アモルファスシリコン膜の表面を走査することにより、図15Cに示したように、走査方向に連続的に結晶を成長させることができた。各結晶粒の配向性を測定したところ、結晶の成長方向(走査方向)と平行な方向に各結晶粒の<110>方向が揃っていた。   By irradiating the two-shot pulse laser beam under these conditions, the width of the crystal grain 100a formed on the rear side in the scanning direction of the beam cross section became 3.1 μm. By scanning the surface of the amorphous silicon film so that the pulsed laser beam was incident at a pitch of 3 μm, crystals could be continuously grown in the scanning direction as shown in FIG. 15C. When the orientation of each crystal grain was measured, the <110> direction of each crystal grain was aligned in a direction parallel to the crystal growth direction (scanning direction).

次に、図16〜図17Cを参照して、第6の実施例による多結晶膜の製造方法について説明する。
図16に示すように、第6の実施例では、パルスレーザビームの入射位置の移動方向の前方側において、パルスエネルギ密度がE以下の裾野の部分が遮光板18で遮光され、後方側において、パルスエネルギ密度がE以下の裾野の部分が遮光板18で遮光されている。
Next, with reference to FIGS. 16-17C, the manufacturing method of the polycrystalline film by the 6th Example is demonstrated.
As shown in FIG. 16, in the sixth embodiment, at the front side in the moving direction of the incident position of the pulse laser beam, the skirt portion where the pulse energy density is E H or less is shielded by the light shielding plate 18, and on the rear side. In addition, the base portion whose pulse energy density is E L or less is shielded from light by the light shielding plate 18.

図17Aに示すように、1ショットの照射を行うと、ビーム断面の前方側の縁に比較的大きな結晶粒110aが形成され、後方側の縁に比較的小さな結晶粒111aが形成される。
図17Bに示すように、パルスレーザビームの入射位置を移動させて次の1ショットの照射を行うと、結晶粒110b及び111bが形成される。比較的大きな結晶粒110aは溶融しにくいため、次の照射以降の照射によってほとんど溶融しない。結晶粒110bは、溶融した領域の前方側の縁から後方側(結晶粒110a側)に向かって成長したものである。結晶成長の先端が結晶粒110aに達した時点で成長が停止する。
As shown in FIG. 17A, when one shot is irradiated, relatively large crystal grains 110a are formed at the front edge of the beam cross section, and relatively small crystal grains 111a are formed at the rear edge.
As shown in FIG. 17B, crystal grains 110b and 111b are formed by moving the incident position of the pulse laser beam and performing the next one-shot irradiation. Since the relatively large crystal grains 110a are difficult to melt, they are hardly melted by the subsequent irradiation. The crystal grains 110b are grown from the front edge of the melted region toward the rear side (crystal grain 110a side). Growth stops when the tip of crystal growth reaches the crystal grain 110a.

このとき、既に形成されている結晶粒110aを種結晶とした横方向の結晶成長も生ずる。このため、パルスレーザビームの入射位置の移動ピッチは、結晶粒110aの幅よりも長くすることができる。   At this time, lateral crystal growth using the crystal grains 110a already formed as seed crystals also occurs. For this reason, the moving pitch of the incident position of the pulse laser beam can be made longer than the width of the crystal grains 110a.

図17Cに示すように、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら照射を繰り返すと、比較的大きな結晶粒110a〜110eが形成される。また、図17Cにおいては、3回目の照射時に、ビーム断面の後方側の縁に比較的小さな結晶粒111cが形成されている。4回目以降の照射においては、ビーム断面の後方側の縁が、比較的大きな結晶粒110a〜110eの内部に位置することになるため、後方側の縁近傍には溶融部分が生じない。   As shown in FIG. 17C, when irradiation is repeated while moving the incident position of the pulse laser beam, relatively large crystal grains 110a to 110e are formed. In FIG. 17C, relatively small crystal grains 111c are formed at the rear edge of the beam cross section during the third irradiation. In the fourth and subsequent irradiations, the edge on the rear side of the beam cross section is located inside the relatively large crystal grains 110a to 110e, so that no melted portion is generated in the vicinity of the edge on the rear side.

第6の実施例では、図17Cに示したように、例えば結晶粒110aの連なった帯状領域と、結晶粒110bの連なった帯状領域との間に、明確な境界が形成される。この境界の位置は、遮光板18で人為的に決定される。例えば、多結晶化されたシリコン薄膜に能動素子を形成する場合、能動素子が結晶粒の境界を跨がないように、結晶粒の境界を配置させることが可能である。以上のようにして、図9のように帯状領域で基板全面を覆うことも可能である。   In the sixth embodiment, as shown in FIG. 17C, for example, a clear boundary is formed between a band-shaped region where crystal grains 110a are continuous and a band-shaped region where crystal grains 110b are continuous. The position of this boundary is artificially determined by the light shielding plate 18. For example, when an active element is formed on a polycrystallized silicon thin film, the boundary of crystal grains can be arranged so that the active element does not straddle the boundary of crystal grains. As described above, it is possible to cover the entire surface of the substrate with a band-shaped region as shown in FIG.

以下、実際に行った評価実験の結果について説明する。レーザ光源から出射されたレーザビーム成形し、幅100μm、長さ17mmのビーム断面を有する長尺ビームにする。ビーム断面の、走査方向前方側の縁を遮光板で遮光して、幅55μmの断面形状とし、このビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させた。レーザ光源を2台用い、1ショット目及び2ショット目のパルスレーザビームの、アモルファスシリコン膜表面におけるパルスエネルギ密度を、それぞれ710mJ/cm及び640mJ/cmとし、遅延時間を200nsとしたダブルパルス方式を採用した。 Hereinafter, the result of the evaluation experiment actually performed will be described. The laser beam emitted from the laser light source is shaped into a long beam having a beam cross section with a width of 100 μm and a length of 17 mm. The edge of the beam section on the front side in the scanning direction was shielded by a light shielding plate to form a section shape having a width of 55 μm, and this beam section was imaged on the surface of the amorphous silicon film. Using two laser light sources, the first shot and the second shot of the pulsed laser beam, a pulse energy density in the amorphous silicon film surface, respectively with 710mJ / cm 2 and 640 mJ / cm 2, double pulses and 200ns delay time The method was adopted.

この条件で、2ショットのパルスレーザビームを照射することにより、ビーム断面の、走査方向前方側に形成される結晶粒110aの幅が5.4μmになった。12μmのピッチでパルスレーザビームが入射するようにアモルファスシリコン膜の表面を走査することにより、ビーム断面の長手方向に結晶粒が連なった幅12μmの帯状領域が形成された。相互に隣り合う帯状領域の結晶粒は、帯状領域の境界において相互に接触し、全面を多結晶化することができた。   By irradiating with a two-shot pulse laser beam under these conditions, the width of the crystal grain 110a formed on the front side in the scanning direction of the beam cross section became 5.4 μm. By scanning the surface of the amorphous silicon film so that the pulse laser beam is incident at a pitch of 12 μm, a band-like region having a width of 12 μm in which crystal grains are continuous in the longitudinal direction of the beam cross section was formed. The crystal grains in the band-shaped regions adjacent to each other were in contact with each other at the boundary of the band-shaped regions, and the entire surface could be polycrystallized.

1回の照射で形成される結晶粒110aの幅が5.4μmであるにもかかわらず、最終的に形成される帯状領域の幅が12μmになるのは、1回の照射で形成された幅5.4μmの結晶粒を種結晶として、その後の照射によって横方向の結晶成長が生じるためである。この成長過程は、図8A〜図8Gで説明した結晶成長過程と同様である。   Although the width of the crystal grain 110a formed by one irradiation is 5.4 μm, the width of the band-like region finally formed becomes 12 μm. The width formed by one irradiation This is because crystal growth in the horizontal direction occurs by subsequent irradiation using 5.4 μm crystal grains as seed crystals. This growth process is the same as the crystal growth process described with reference to FIGS. 8A to 8G.

上記第5及び第6の実施例の評価実験では、ダブルパルス方式を採用した。このとき、1ショット目のパルスレーザビームが入射してから2ショット目のパルスレーザビームが入射するまでの遅延時間を100〜1000nsとすることが好ましい。この好適な遅延時間は、遮光板を用いない場合に比べてやや短い。これは、ビーム断面の両側において光強度分布の傾斜が急峻であり、遮光板を用いない場合に比べて固化速度が速いためである。   In the evaluation experiments of the fifth and sixth examples, the double pulse method was adopted. At this time, it is preferable that the delay time from the incidence of the first shot pulse laser beam to the incidence of the second shot pulse laser beam is 100 to 1000 ns. This suitable delay time is slightly shorter than when no light shielding plate is used. This is because the light intensity distribution has a steep slope on both sides of the beam cross section, and the solidification speed is faster than when no light shielding plate is used.

次に、第7の実施例について説明する。第5及び第6の実施例では、ビーム断面の幅方向に関して光強度分布(またはパルスエネルギ密度分布)が非対称になるように、遮光板でレーザビームの一部を遮光したが、対称になるように遮光してもよい。光強度分布が対称になると、走査方向の前方側の縁と後方側の縁とに、ほぼ同じ大きさの結晶粒が形成される。このため、図8A〜図8Gを参照して説明した第2の実施例、図12A及び図12Bを参照して説明した第3の実施例、または図13A及び図13Bを参照して説明した第4の実施例による方法と同様の方法により、アモルファスシリコン膜の多結晶化を行うことができる。   Next, a seventh embodiment will be described. In the fifth and sixth embodiments, a part of the laser beam is shielded by the light shielding plate so that the light intensity distribution (or pulse energy density distribution) is asymmetric with respect to the width direction of the beam cross section. It may be shielded from light. When the light intensity distribution is symmetric, crystal grains having substantially the same size are formed on the front edge and the rear edge in the scanning direction. Therefore, the second embodiment described with reference to FIGS. 8A to 8G, the third embodiment described with reference to FIGS. 12A and 12B, or the second embodiment described with reference to FIGS. 13A and 13B. The amorphous silicon film can be polycrystallized by a method similar to the method according to the fourth embodiment.

上記第5〜第7の実施例では、遮光板の配置された位置におけるビーム断面をアモルファスシリコン膜の表面に結像させたが、アモルファスシリコン膜に近接させて遮光板を配置してもよい。遮光板とアモルファスシリコン膜との間隔は、例えば0.1mm程度とすればよいであろう。   In the fifth to seventh embodiments, the beam cross section at the position where the light shielding plate is disposed is imaged on the surface of the amorphous silicon film. However, the light shielding plate may be disposed close to the amorphous silicon film. The distance between the light shielding plate and the amorphous silicon film may be about 0.1 mm, for example.

上記第1及び第6の実施例では、レーザビームの一部を遮光板で遮光することにより、ビーム断面の幅方向に関して非対称な光強度分布を有するレーザビームを形成したが、その他の光学装置により光強度分布を非対称にしてもよい。例えば、石英ガラスの表面にクロム(Cr)等のドットパターンを配置したグラディエイションフィルタを光路内に配置してもよい。   In the first and sixth embodiments, a laser beam having an asymmetric light intensity distribution with respect to the width direction of the beam cross section is formed by shielding a part of the laser beam with a light shielding plate. The light intensity distribution may be asymmetric. For example, a gradient filter in which a dot pattern such as chromium (Cr) is arranged on the surface of quartz glass may be arranged in the optical path.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略平面図である。It is a schematic plan view of the laser annealing apparatus used in the Example. 加工対象物の断面図、及び第1の実施例で使用されるパルスレーザビームの、加工対象物表面におけるパルスエネルギ密度分布を示すグラフである。It is a sectional view of a processing object, and a graph which shows pulse energy density distribution in the processing object surface of a pulse laser beam used in the 1st example. 多結晶化された加工対象物の模式的な平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view of a polycrystallized workpiece. 第1の実施例による方法で作製した多結晶膜のSEM写真をスケッチした図である。It is the figure which sketched the SEM photograph of the polycrystalline film produced by the method by a 1st Example. 溶融したシリコンの温度と結晶成長速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature of the melted silicon and the crystal growth rate. 温度と核生成率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature and a nucleation rate. ビーム断面の幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the width | variety of a beam cross section, and the magnitude | size of a crystal grain. パルスエネルギ密度分布の勾配と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gradient of a pulse energy density distribution, and the magnitude | size of a crystal grain. パルス幅と結晶粒の大きさとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a pulse width and the size of a crystal grain. 1箇所に2ショットのパルスレーザビームを入射させる場合の、レーザビーム波形の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a laser beam waveform in case two shot laser beams are incident on one place. 第2の実施例による多結晶膜の製造方法における製造途中の薄膜断面を模式化した図である。It is the figure which modeled the thin film cross section in the middle of manufacture in the manufacturing method of the polycrystalline film by a 2nd Example. 第2の実施例による方法で製造した多結晶膜のSEM写真をスケッチした図である。It is the figure which sketched the SEM photograph of the polycrystalline film manufactured by the method by a 2nd Example. 1照射あたりの結晶成長の長さと、全面を多結晶化させるために必要なオーバラップ率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the length of the crystal growth per irradiation, and the overlap rate required in order to polycrystallize the whole surface. 単結晶シリコンとアモルファスシリコンの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the absorption coefficient of a single crystal silicon and an amorphous silicon. 第3の実施例による多結晶膜の製造方法で使用されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布と多結晶化領域との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pulse energy density distribution of the pulse laser beam used with the manufacturing method of the polycrystalline film by 3rd Example, and a polycrystallized area | region. 製造された多結晶膜の模式的な平面図である。It is a schematic plan view of the manufactured polycrystalline film. 第4の実施例による多結晶膜の製造方法で使用されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度分布と多結晶化領域との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pulse energy density distribution of the pulse laser beam used with the manufacturing method of the polycrystalline film by 4th Example, and a polycrystallized area | region. 製造された多結晶膜の模式的な平面図である。It is a schematic plan view of the manufactured polycrystalline film. 第5の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる処理対象基板と遮光板の断面図、及びパルスエネルギ密度の分布を示すグラフである。It is sectional drawing of the process target board | substrate and light-shielding plate which are used with the manufacturing method of the polycrystalline film by 5th Example, and the graph which shows distribution of pulse energy density. 第5の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。It is the schematic for showing a mode that it crystallizes with the manufacturing method of the polycrystalline film by 5th Example. 第5の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。It is the schematic for showing a mode that it crystallizes with the manufacturing method of the polycrystalline film by 5th Example. 第5の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。It is the schematic for showing a mode that it crystallizes with the manufacturing method of the polycrystalline film by 5th Example. 第6の実施例による多結晶膜の製造方法で用いられる処理対象基板と遮光板の断面図、及びパルスエネルギ密度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows the cross section of the process target board | substrate and light-shielding plate which are used with the manufacturing method of the polycrystalline film by 6th Example, and pulse energy density distribution. 第6の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。It is the schematic for showing a mode that it crystallizes with the manufacturing method of the polycrystalline film by the 6th Example. 第6の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。It is the schematic for showing a mode that it crystallizes with the manufacturing method of the polycrystalline film by the 6th Example. 第6の実施例による多結晶膜の製造方法で多結晶化する様子を示すための概略図である。It is the schematic for showing a mode that it crystallizes with the manufacturing method of the polycrystalline film by the 6th Example.

Claims (16)

(a)表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
(b)前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させ、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁と中心線との間の領域のうち、該縁及び該中心線からある距離だけ隔てられ、該長軸方向に延在する第1の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させる工程と、
(c)パルスレーザビームの入射位置がビーム入射領域の短軸方向に移動し、前記第1の帯状領域内に発生した結晶粒は完全には溶融せず、該結晶粒に接する領域の前記薄膜は溶融する条件でパルスレーザビームを入射させ、該結晶粒を種結晶として、前記帯状領域の両側に結晶を成長させる工程と
を有する多結晶膜の製造方法。
(A) preparing a workpiece on which a thin film made of an amorphous material is formed on the surface;
(B) A pulse laser beam having a beam cross section that is long in one direction on the surface of the thin film is incident on the thin film, and the thin film is melted and then solidified, and an edge and a center extending in the major axis direction of the beam incident region In the region between the lines, a crystal grain connected in the major axis direction is generated in a first band-shaped region that is separated from the edge and the center line by a certain distance and extends in the major axis direction. Process,
(C) The incident position of the pulse laser beam moves in the minor axis direction of the beam incident region, and the crystal grains generated in the first band-shaped region are not completely melted, and the thin film in the region in contact with the crystal grains Is a method of manufacturing a polycrystalline film, which includes a step of making a pulsed laser beam incident under melting conditions and using the crystal grains as seed crystals to grow crystals on both sides of the band-like region.
前記工程(c)において、パルスレーザビームの入射領域の移動方向前方側の縁と中心線との間の領域のうち、該縁からある距離だけ隔てられ、かつ前記第1の帯状領域からもある距離だけ隔てられ、長軸方向に延在する第2の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒を発生させ、
前記工程(c)の後、さらに、
(d)パルスレーザビームの入射位置を短軸方向に移動させながら、前記薄膜にパルスレーザビームを入射させ、前記第1の帯状領域から前記第2の帯状領域に向かって成長した結晶粒と、前記第2の帯状領域から前記第1の帯状領域に向かって成長した結晶粒とを接触させる工程を有する請求項1に記載の多結晶膜の製造方法。
In the step (c), of the region between the edge on the front side in the moving direction of the incident region of the pulse laser beam and the center line, the region is separated from the edge by a certain distance and is also from the first belt-like region. In the second band-shaped region that is separated by a distance and extends in the major axis direction, crystal grains connected in the major axis direction are generated,
After the step (c),
(D) While moving the incident position of the pulse laser beam in the short axis direction, the pulse laser beam is incident on the thin film, and the crystal grains grown from the first band region toward the second band region; The method for manufacturing a polycrystalline film according to claim 1, further comprising a step of contacting crystal grains grown from the second band-shaped region toward the first band-shaped region.
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が340〜900nmである請求項1に記載の多結晶膜の製造方法。  The method for producing a polycrystalline film according to claim 1, wherein the thin film is formed of silicon, and a wavelength of a pulse laser beam incident on the thin film is 340 to 900 nm. 前記工程(b)で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第1の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、280mJ/cm/μm以下である請求項1に記載の多結晶膜の製造方法。The gradient in the minor axis direction of the pulse energy density of the pulse laser beam irradiated in the step (b) is 280 mJ / cm 2 / μm or less at the outer edge extending in the major axis direction of the first band-shaped region. The method for producing a polycrystalline film according to claim 1. 前記工程(b)で照射されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第1の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、10mJ/cm/μm以上である請求項4に記載の多結晶膜の製造方法。The gradient in the minor axis direction of the pulse energy density of the pulse laser beam irradiated in the step (b) is 10 mJ / cm 2 / μm or more at the outer edge extending in the major axis direction of the first strip region. The method for producing a polycrystalline film according to claim 4. 前記工程(b)において、パルスレーザビームを1ショット入射させた後、300〜1500nsの遅延時間を設けて、同じ位置に2ショット目を入射させる請求項1乃至5のいずれか1項に記載の多結晶膜の製造方法。6. The process according to claim 1, wherein, in the step (b), after a pulse laser beam is incident on one shot, a delay time of 300 to 1500 ns is provided and the second shot is incident on the same position . A method for producing a polycrystalline film. 前記工程(b)において、パルスレーザビームを1ショット入射させた後、300〜1500nsの遅延時間を設けて、同じ位置に2ショット目を入射させるとともに、前記第1の帯状領域に接し、該第1の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第1の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第1の帯状領域までの間隔が15μm以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の多結晶膜の製造方法。In the step (b), after one shot of the pulse laser beam is incident, a delay time of 300 to 1500 ns is provided, the second shot is incident at the same position, and the first belt-shaped region is contacted. A random distribution region in which crystal grains smaller than the crystal grains formed in the first band-like region are randomly distributed is formed in a partial region outside the one band-like region. 6. The polycrystalline film according to claim 1 , wherein a pulsed laser beam having a pulse energy density distribution such that an interval from a boundary with the region to the first band-shaped region is 15 μm or more is applied. Manufacturing method. (i)表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
(j)前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有するパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程であって、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第1の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第1の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第1の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触する条件でパルスレーザビームを入射させる工程と
を有し、
パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第1の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、280mJ/cm/μm以下である多結晶膜の製造方法。
(I) preparing a workpiece on which a thin film made of an amorphous material is formed on the surface;
(J) A step in which a pulse laser beam having a beam cross section that is long in one direction on the surface of the thin film is incident on the thin film, and the thin film is melted and then solidified to be polycrystallized. In the first band-shaped region defined by the imaginary line separated from the edge extending in the axial direction by a distance inward and the center line of the beam incident region, the crystal grains continuous in the major axis direction are formed. The pulse laser beam is generated under the condition that the crystal grains generated in the first band region on one side of the center line and the crystal grains generated in the other first band region are in contact with each other. An incident step,
A method for producing a polycrystalline film, wherein a gradient in a short axis direction of a pulse energy density of a pulse laser beam is 280 mJ / cm 2 / μm or less at an outer edge extending in a long axis direction of the first band-shaped region.
前記パルスレーザビームのパルスエネルギ密度の短軸方向の勾配が、前記第1の帯状領域の長軸方向に延在する外側の縁において、10mJ/cm/μm以上である請求項に記載の多結晶膜の製造方法。Slope of the short axis direction of the pulse energy density of the pulsed laser beam, at the outer edge that extends in the axial direction of the first strip region, according to claim 8 is 10mJ / cm 2 / μm or more A method for producing a polycrystalline film. 前記工程(j)において、パルスレーザビームを1ショット入射させた後、溶融した部分が完全に固化する前に、2ショット目を入射させる請求項に記載の多結晶膜の製造方法。9. The method for producing a polycrystalline film according to claim 8 , wherein, in the step (j), after the pulse laser beam is incident for one shot, the second shot is incident before the melted portion is completely solidified. 前記工程(j)の後、さらに、
(k)パルスレーザビームの入射位置をビーム入射領域の短軸方向に移動させながら、次々にパルスレーザビームを該薄膜に入射させ、該薄膜を溶融させた後固化させて多結晶化させる工程を有し、
1回の溶融と固化のためのパルスレーザビームの入射は、ビーム入射領域の長軸方向に延在する縁から内側にある距離だけ隔てられた仮想線と、該ビーム入射領域の中心線とで画定される第2の帯状領域内に、該長軸方向に連なった結晶粒が発生し、前記中心線の一方の側の前記第2の帯状領域内に発生した結晶粒と、他方の第2の帯状領域内に発生した結晶粒とが相互に接触し、かつ移動方向の後方側の第2の帯状領域内に発生した結晶粒が、移動方向の後方側に既に形成されている結晶粒に接触する条件で行われる請求項に記載の多結晶膜の製造方法。
After the step (j),
(K) A step of causing the pulse laser beam to be incident on the thin film one after another while moving the incident position of the pulse laser beam in the short axis direction of the beam incident region, melting the thin film, and then solidifying and polycrystallizing. Have
The incidence of the pulse laser beam for one melting and solidification is performed between a virtual line separated from the edge extending in the long axis direction of the beam incident region by an inner distance and a center line of the beam incident region. Crystal grains connected in the major axis direction are generated in the second band-shaped region defined, and the crystal grains generated in the second band-shaped region on one side of the center line and the other second The crystal grains generated in the belt-shaped region are in contact with each other, and the crystal grains generated in the second belt-shaped region on the rear side in the moving direction are the crystal grains already formed on the rear side in the moving direction. The manufacturing method of the polycrystalline film of Claim 8 performed on the conditions to contact.
前記薄膜がシリコンで形成されており、該薄膜に入射させるパルスレーザビームの波長が340〜900nmである請求項に記載の多結晶膜の製造方法。The method for producing a polycrystalline film according to claim 8 , wherein the thin film is made of silicon, and a wavelength of a pulse laser beam incident on the thin film is 340 to 900 nm. 前記工程(j)において、前記第1の帯状領域に接し、該第1の帯状領域よりも外側の一部の領域に、該第1の帯状領域内に形成される結晶粒よりも小さな結晶粒がランダムに分布するランダム分布領域が形成され、該ランダム分布領域とアモルファス領域との境界から、前記第1の帯状領域までの間隔が15μm以上になるようなパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームを照射する請求項に記載の多結晶膜の製造方法。In the step (j), a crystal grain smaller than a crystal grain that is in contact with the first belt-like region and is formed in a part of the region outside the first belt-like region in the first belt-like region. A pulse laser beam having a pulse energy density distribution in which a random distribution region is randomly distributed, and a distance from a boundary between the random distribution region and the amorphous region to the first band-shaped region is 15 μm or more. The manufacturing method of the polycrystalline film of Claim 8 irradiated. (a)表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
(b)前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有し、該ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなり、非対称な第1の形状であるパルスレーザビームを、少なくとも1ショット前記薄膜に入射させる工程と、
(c)パルスレーザビームの入射位置が、前記薄膜の表面上において、該パルスレーザビームのビーム断面の長軸方向と交差する方向に移動し、かつ前回のショットで照射された領域と部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置と前記加工対象物との少なくとも一方を移動させる工程と、
(d)光強度分布が前記第1の形状を有するパルスレーザビームを、前記薄膜に、少なくとも1ショット入射させる工程と、
(e)前記工程(c)と工程(d)とを交互に繰り返す工程と
を有し、
前記工程(b)において、ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなる形状を有する分布のうち、一方の第1の裾野の、第1の光強度以下の部分がマスクで遮光され、他方の第2の裾野の部分は遮光されていないか、または該第2の裾野の、該第1の光強度よりも低い第2の光強度以下の部分が遮光されることにより、前記パルスレーザビームが得られ、
前記工程(b)において、ビーム断面の前記第1の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成され、
前記工程(c)において、ビーム断面の前記第2の裾野側が移動方向の前方になるように、パルスレーザビームの入射位置が前記薄膜上を相対的に移動し、その移動距離は、前回の照射でビーム断面の前記第1の裾野側の縁から成長した結晶粒に、ビーム断面の第1の裾野側の縁が接するかまたは重なる距離であり、
前記工程(d)において、前回の照射で成長した結晶粒を種結晶として、該種結晶からビーム断面の内側に向かって結晶を成長させる多結晶膜の製造方法。
(A) preparing a workpiece on which a thin film made of an amorphous material is formed on the surface;
(B) The surface of the thin film has a long beam cross section in one direction, and the light intensity distribution in the minor axis direction of the beam cross section is large at the center and becomes smaller as it approaches the edge, and the first shape is asymmetric. Injecting a pulsed laser beam into the thin film for at least one shot;
(C) The incident position of the pulse laser beam moves on the surface of the thin film in a direction intersecting the major axis direction of the beam cross section of the pulse laser beam and partially in the region irradiated with the previous shot. Moving at least one of the incident position of the pulsed laser beam and the workpiece so as to overlap, and
(D) a step of causing a pulse laser beam having a light intensity distribution having the first shape to enter the thin film at least one shot;
(E) a step of alternately repeating the step (c) and the step (d),
In the step (b), the light intensity distribution in the minor axis direction of the beam cross section has a shape with a large central portion and a shape that becomes smaller as it approaches the edge. The following part is shielded from light by the mask, and the other second base part is not shielded from light, or a part of the second base part having a second light intensity lower than the first light intensity is less than the second part. By being shielded from light, the pulse laser beam is obtained,
In the step (b), a crystal grows by a certain length inward from the edge on the first base side of the beam cross section, and a plurality of crystal grains continuous in the longitudinal direction of the beam cross section are formed,
In the step (c), the incident position of the pulse laser beam relatively moves on the thin film so that the second skirt side of the beam cross section is in front of the moving direction, and the moving distance is the same as the previous irradiation. And the crystal grain grown from the first skirt side edge of the beam cross section is a distance where the first skirt side edge of the beam cross section touches or overlaps,
In the step (d), a method for producing a polycrystalline film, wherein a crystal grain grown by the previous irradiation is used as a seed crystal, and the crystal is grown from the seed crystal toward the inside of the beam cross section.
(a)表面上にアモルファス材料からなる薄膜が形成された加工対象物を準備する工程と、
(b)前記薄膜の表面において一方向に長いビーム断面を有し、該ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなり、非対称な第1の形状であるパルスレーザビームを、少なくとも1ショット前記薄膜に入射させる工程と、
(c)パルスレーザビームの入射位置が、前記薄膜の表面上において、該パルスレーザビームのビーム断面の長軸方向と交差する方向に移動し、かつ前回のショットで照射された領域と部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置と前記加工対象物との少なくとも一方を移動させる工程と、
(d)光強度分布が前記第1の形状を有するパルスレーザビームを、前記薄膜に、少なくとも1ショット入射させる工程と、
(e)前記工程(c)と工程(d)とを交互に繰り返す工程と
を有し、
前記工程(b)において、ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布が、中央部が大きく、縁に近づくに従って小さくなる形状を有する分布のうち、一方の第1の裾野の、第1の光強度以下の部分がマスクで遮光され、他方の第2の裾野の部分は遮光されていないか、または該第2の裾野の、該第1の光強度よりも低い第2の光強度以下の部分が遮光されることにより、前記パルスレーザビームが得られ、
前記工程(b)において、ビーム断面の前記第1の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成され、
前記工程(c)において、ビーム断面の前記第1の裾野側が移動方向の前方になるように、パルスレーザビームの入射位置が前記薄膜上を相対的に移動し、
前記工程(d)で照射されるパルスレーザビームの、前記薄膜表面におけるパルスエネルギ密度は、前回までの照射で前記第1の裾野側に形成された結晶粒が再溶融しない大きさであり、ビーム断面の前記第1の裾野側の縁から内側に向かって、ある長さだけ結晶が成長して、ビーム断面の長手方向に連なる複数の結晶粒が形成される多結晶膜の製造方法。
(A) preparing a workpiece on which a thin film made of an amorphous material is formed on the surface;
(B) The surface of the thin film has a long beam cross section in one direction, and the light intensity distribution in the minor axis direction of the beam cross section is large at the center and becomes smaller as it approaches the edge, and the first shape is asymmetric. Injecting a pulsed laser beam into the thin film for at least one shot;
(C) The incident position of the pulse laser beam moves on the surface of the thin film in a direction intersecting the major axis direction of the beam cross section of the pulse laser beam and partially in the region irradiated with the previous shot. Moving at least one of the incident position of the pulsed laser beam and the workpiece so as to overlap, and
(D) a step of causing a pulse laser beam having a light intensity distribution having the first shape to enter the thin film at least one shot;
(E) a step of alternately repeating the step (c) and the step (d),
In the step (b), the light intensity distribution in the minor axis direction of the beam cross section has a shape with a large central portion and a shape that becomes smaller as it approaches the edge. The following part is shielded from light by the mask, and the other second base part is not shielded from light, or a part of the second base part having a second light intensity lower than the first light intensity is less than the second part. By being shielded from light, the pulse laser beam is obtained,
In the step (b), a crystal grows by a certain length inward from the edge on the first base side of the beam cross section, and a plurality of crystal grains continuous in the longitudinal direction of the beam cross section are formed,
In the step (c), the incident position of the pulsed laser beam relatively moves on the thin film so that the first base side of the beam cross section is in front of the moving direction,
The pulse energy density of the pulse laser beam irradiated in the step (d) on the surface of the thin film has such a size that the crystal grains formed on the first base side by the previous irradiation are not remelted. A method for producing a polycrystalline film, wherein a crystal grows by a certain length inward from an edge on the first base side of the cross section, and a plurality of crystal grains are formed in the longitudinal direction of the beam cross section.
前記工程(c)において、パルスレーザビームの入射位置の移動距離は、前記工程(d)で成長する結晶粒が、前回の照射で形成された結晶粒に接する距離である請求項15に記載の多結晶膜の製造方法。In the step (c), the moving distance of the incident position of the pulse laser beam, the crystal grains grow in the step (d), according to claim 15 which is a distance in contact with the crystal grains formed in the previous irradiation A method for producing a polycrystalline film.
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