JP4296762B2 - レーザ照射装置および半導体薄膜の処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ照射装置および半導体薄膜の処理方法に関し、特には半導体薄膜を結晶化する際の処理に好適に用いられるレーザ照射装置と、このレーザ照射装置を用いて行われる半導体薄膜の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置のようなフラット型表示装置のスイッチング素子として広く用いられている薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、略してＴＦＴ）には、多結晶シリコンを活性層に用いたＴＦＴ（多結晶シリコンＴＦＴ）と、非晶質シリコンを活性層に用いたＴＦＴ（非晶質シリコンＴＦＴ）とがある。このうち、多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと比べ駆動電流が高いことから、スイッチング素子の微細化が可能であり画素開口率を広げることが可能になる。また、多結晶シリコンＴＦＴは、スイッチング素子の他にも周辺の駆動回路、例えばシフトレジスタやレベル変換器としても用いることが可能であり、これらの周辺回路をスイッチング素子の形成と同一工程で表示基板上に形成することができる。以上の理由により、多結晶シリコンＴＦＴは、高精細な表示装置用の素子として使用されている。
【０００３】
近年、多結晶シリコンＴＦＴを６００℃以下の低温プロセスで作製する技術（いわゆる低温ポリシリコンプロセス）が開発され、実用化されている。このような低温ポリシリコンプロセスをフラット型表示装置の製造に適用することにより、表示基板として石英、単結晶シリコンなどの高耐熱性だが高価な基板を用いる必要がなくなるため、高精細なフラット型表示装置の低コスト化及び大型化が可能となる。
【０００４】
ここで、低温ポリシリコンプロセスとは、基板上に成膜したシリコン層（非晶質シリコン層）に対して、レーザ光あるいは電子ビームを照射することで、基板にダメージを与えることなくシリコンを急激に加熱して溶融状態とし、その後の冷却過程でシリコンを結晶化させることで多結晶シリコン層を得る方法である。
【０００５】
このような低温ポリシリコンプロセスにおいて、より大きな粒径の多結晶シリコン層を得るためには、シリコン層に対するレーザ光や電子ビームの照射法が重要となる。そこで、現在の低温ポリシリコンプロセスでは、マルチショット照射法が広く用いられている。マルチショット照射法では、シリコン層に対してレーザビームをスキャンさせながら、同一箇所に２回以上、典型的には１０〜２０回のレーザ照射を行う。これにより、膜厚５０ｎｍのシリコン層を例にとると粒径０．１〜５μｍ、典型的には粒径０．３〜１μｍ程度の多結晶シリコン層が得られることが知られている。
【０００６】
また上述したマルチショット照射法を適用した低温ポリシリコンプロセスの他にも、例えばApplied Physics Letters誌、第６９巻、2,864〜2,866ページ (1996年)に報告されている、Sequential Lateral Solidification法（連続横方向固化法、以下ＳＬＳ法）がある。図１９には、このＳＬＳ法による半導体薄膜処理の概要を示す。この図に示す方法は、先ず、レーザ光発生手段１から発振されたレーザビームＨを、レンズや反射ミラーなどの光学手段２〜５を用いて、周期的な明暗のパターンが描かれたマスク６に入射させ、このマスク６を通過させたレーザビームＨを、結像レンズ７および反射ミラー８を介してステージ９上に載置した基板Ｗ表面のシリコン層に照射し、これによって数μｍ幅でシリコン層を完全融解し、冷却時に融解領域の外周部から内部に向かって横方向（ラテラル）に結晶を成長させ、ストライプ状の横方向成長領域を得る。次にマスク６または基板Ｗが載置されているステージ９を機械的に融解領域の幅以下の距離、典型的には０．７５μｍ程度移動させた後、同様に横方向成長させる。このような方法により、広域にわたり均一で、かつスキャン方向に平行な粒界を持つ、細長い多結晶シリコン薄膜を得ることが可能であると報告されている。
【０００７】
さらに、このＳＬＳ法を応用した例として、特開２０００−１５０４１２号公報には、上述した周期的な明暗のパターンをレーザ光の干渉による干渉縞として形成する方法が開示されている。またこの公報には、レーザ光の光路上に配置された鏡や階段状透明板を機械的手法によって移動することにより、干渉縞の位置を変化させ、シリコン層の融解位置を変位させることが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した低温ポリシリコンプロセスのうち、マルチショット照射法を適用した方法では、得られる多結晶シリコンの結晶サイズ（粒径０．１μｍ〜５μｍ）は、現状の薄膜トランジスタのサイズ（約５μｍ角〜５０μｍ角）と比較して極めて小さい。このため、この多結晶シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタの特性は、多結晶シリコン粒界でのキャリアトラップにより、例えば電子移動度が１００ｃｍ²／Ｖｓと低く、単結晶シリコンに形成されたトランジスタと比較して劣るものになる。
【０００９】
ここで、薄膜トランジスタを用いた表示装置においては、表示エリア内における薄膜トランジスタ特性がばらついていると、それが表示特性のばらつきとして認識され、表示品質が低下する。薄膜トランジスタ特性のばらつきは第一には多結晶粒径のばらつきが原因であるが、これは多結晶化プロセスにおけるレーザエネルギーのばらつき、具体的には照射ショット毎のばらつきと照射面内での光強度分布に起因する。
【００１０】
図２０は、同一箇所に対して２０回のレーザ照射を行った場合について、レーザエネルギーに対して多結晶シリコンの平均粒径がどのように変わるかを示したものである。この図からレーザエネルギーが±８％変動する可能性がある場合、２０回の照射のうち１回でも粒径が最大となる照射エネルギー３８０ｍＪ／ｃｍ²を超えると、粒径が急激に低下し、さらに部分的に微結晶化してしまうため、３５０ｍＪ／ｃｍ²で照射する必要があることが分かる。また、粒径のエネルギー依存性が大きく、例えばたった±１％のエネルギーばらつきが概ね±１０％もの粒径ばらつきをもたらすことが分かる。しかしレーザエネルギーのばらつきを例えば±０．５％以内に抑制することは、短時間内（例えばエキシマレーザの場合、パルス幅は２０〜２００ｎｓ）でのパルス発振という事情から現在のところ困難であり、結晶粒径もばらついたものになる。
【００１１】
一方、ＳＬＳ法では、広域にわたり均一な大粒径の結晶を得ることが可能であるものの、マスク６や結像光学系のレンズ５，７を介して半導体薄膜にレーザ光が照射されるため、光エネルギーの利用効率が下がり、結果として１基板あたりの処理時間やコストが増加する。また基板のうねりなどによる焦点ずれを補正する機構が必要であり、やはり１基板あたりの処理時間やコストが増加する。さらに基板を載置するステージには１μｍオーダーの移動精度が必要なため、装置コストも高い。また結像光学系の製造コストおよび像歪みとの兼ね合いで、照射面積を大きくし難いため、処理時間がかかるという問題があった。
【００１２】
また、ＳＬＳ法の応用としてレーザ光の干渉を利用する方法では、光エネルギーの利用効率は良好であるものの、次のような課題がある。すなわち、この方法においては、干渉縞の位置を変化させるべく分割したレーザ光の光路長を変化させる際、レーザ光の光路上に配置された鏡や階段状透過板を、機械的手法によって移動させている。ここで、パルス発振されるレーザ光を用いる場合には、その発振周波数に干渉縞の変位を同期させる必要がある。ところが、上述したような機械的手法によって鏡や階段状透過板を移動させて干渉縞を変位させる方法では、鏡や階段状透過板の移動速度および移動精度の限界から、高周波数でパルス発振されるレーザ光に対して鏡や階段状透過板の移動を同期させることができない。したがって、レーザダイオード励起のパルス発振固体レーザから発振されるような、１０ｋＨｚを越える高周波数のパルス発振レーザ光を適用した処理を行うことが困難であり、半導体薄膜の処理速度を高速化する際の妨げになる。
【００１３】
そこで本発明は、レーザ光の干渉作用によって形成される光パターンを高周波で移動することが可能でこれにより処理速度の高速化を図ることができるレーザ照射装置、およびこの装置を用いて粒径均一性に優れた大粒径の多結晶シリコンを得るための処理を高速に行うことが可能な半導体薄膜の処理方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明のレーザ照射装置は、レーザ光発生手段、このレーザ光発生手段から発生させたレーザ光を複数の光束に分割する分割手段、この分割手段で分割された高速を干渉させて周期的な光パターンを形成する光干渉手段、および分割手段で分割された複数の光束の少なくとも一つを電気光学的に位相シフトさせる位相シフト手段を備えていることを特徴としている。
【００１５】
このような構成のレーザ照射装置では、レーザ光発生手段から発生させたレーザ光が、分割手段で複数の光束に分割されて光干渉手段によって干渉し、これによって周期的な光パターンが形成される。このため、マスクを用いて光パターンを形成する場合と比較して、レーザ光エネルギーの利用効率が高く保たれた光パターンを発生させることができる。また、分割されたレーザ光の少なくとも一方を位相シフトさせる位相シフト手段が設けられていることから、干渉による光パターンを光学的に移動することができる。しかも、この位相シフト手段は、電気光学的に位相シフトさせるものであるため、光パターンの光学的な移動を高周波で行うことできる。
【００１６】
また本発明の半導体薄膜の処理方法は、複数の光束に分割したレーザ光を互いに干渉させることによって生じさせた周期的な光パターンを半導体薄膜に照射し、これにより当該半導体薄膜を部分的に融解させた後、この光パターンをその周期の範囲内で光パターンの配列方向に移動させる半導体薄膜の処理方法において、光パターンの移動は、分割された光束の少なくとも１つを電気光学的に位相シフトさせることによってなされることを特徴としている。
【００１７】
このような処理方法では、分割された光束を干渉させることによって形成される光パターンを光学的に移動させるために光束を位相シフトさせる際、電気光学的に光束を位相シフトさせるため、光パターンの光学的な移動が高周波で行われる。したがって、光パターンを高速で移動させた処理が行われ、処理速度が短縮化される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、レーザ照射装置および半導体薄膜の処理方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
レーザ照射装置
図１は、本発明のレーザ照射装置の一例を示す構成図である。この図に示すレーザ照射装置は、例えば半導体薄膜を結晶化させるための処理に用いられるものであることとする。
【００２０】
この図に示すレーザ照射装置は、レーザダイオード励起のＹＡＧレーザからなるレーザ光発生手段１０１を備えている。このレーザ光発生手段１０１は、レーザ光Ｈの繰り返しパルス発振周波数が１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度になる。尚、レーザ光発生手段１０１としては、干渉性を向上するために、インジェクション・シーダー付きのものを用いることが好ましい。また、照射領域内で均一な光強度プロファイルが得られるようトップハット型のビームプロファイルを有するＹＡＧレーザを用いることが好ましい。
【００２１】
そして、レーザ光発生手段１０１で発生させたレーザ光Ｈの出射方向には、高調波発生器１０２が配置されている。この高調波発生器１０２は、ＬｉＢ₃Ｏ₅（ＬＢＯ）またはＢａＢ₂Ｏ₄（ＢＢＯ）結晶などからなり、レーザ光発生手段１０１から発生させたレーザ光Ｈの基本波（波長１０６４ｎｍ）を第３高調波（波長３５５ｎｍ）に波長変換する。尚これにより、波長変換後のレーザ光Ｈは、例えばパルス幅が約３０ｎｓ、１パルスあたりのエネルギーが０．６ｍＪ（１０ｋＨｚ発振時）となる。
【００２２】
そして、高調波発生器１０２を通過したレーザ光Ｈの出射方向には、透過率可変の光減衰器（アッテネータ）１０３、レーザ光を分割する分割手段としてのビームスプリッタ１０４が順に配置されている。このビームスプリッタ１０４は、レーザ光Ｈを強度比で約１：１の２光束に分割し、分割された第１の光束ｈ１を反射させる一方、分割された第２の光束ｈ２を透過させる。
【００２３】
そして、ビームスプリッタ１０４の透過方向には、位相シフト手段１０５が配置されている。この位相シフト手段１０５は、電気光学効果を利用してこれを通過する光の位相が変化自在であるものを用いることとする。このような位相シフト手段１０５としては、よく知られているようにＫＨ₂ＰＯ₄（リン酸２水素カリウム：ＫＤＰ）、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄（リン酸２水素アンモニウム：ＡＤＰ）、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅等の結晶を用いたものがある。これらの結晶は、印加される電圧に応じた位相遅れ（リターデーション）を、結晶を通過するレーザ光束にもたらすことができる。
【００２４】
ここでは、このような位相シフト手段１０５を設けることによって、このレーザ照射装置から照射されるレーザ光の光強度プロファイルに乱れが生じることのないように、位相シフト手段１０５に用いる結晶を第２の光束ｈ２が透過する際に波面歪がλ／１０（３５ｎｍ）以下となるように、高精度で研磨されたＫＤＰ結晶を用い、印加電圧１５００Ｖで位相が３６０度遅れるものを用いることとする。
【００２５】
また、位相シフト手段１０５を通過した第２の光束ｈ２の光路上には、反射ミラー１０６が配置されている。この反射ミラー１０６は、ビームスプリッタ１０４で反射された第１の光束ｈ１に対して、ビームスプリッタ１０４を透過した第２の光束ｈ２が所定角度で交わるように当該第２の光束ｈ２を反射し、これにより第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを重ね合わせて干渉させて周期的な光パターン（ここでは干渉縞）を発生させる光干渉手段として配置されている。
【００２６】
ここで、第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とが交わる際の所定角度θは、次のように設定される。すなわち、波長λのレーザ光束２本が挟角θ（ラジアン）で基板面に入射する際に生成される干渉縞の周期をＰとすると、Ｐは次式（１）で与えられる。Ｐ＝λ/｛２sin（θ／２）｝…（１）
【００２７】
この式から、λ＝３５５ｎｍの場合において、周期４．０μｍの干渉縞を基板Ｗ表面に照射したい場合には、θ＝５．０９度となる。そこで、反射ミラー１０６は、ビームスプリッタ１０４で反射された第１の光束ｈ１に対して、第２の光束ｈ２が狭角θ＝５．０９度で交わるべく、当該第２の光束ｈ２を反射させるように設定されることとする。
【００２８】
また、この反射ミラー１０６の反射方向、およびビームスプリッタ１０４の反射方向には、処理を行う基板Ｗを載置するためのステージ１００が配置されている。そして、このステージ１００に載置された基板Ｗの表面に、第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを重ね合わせて干渉させることよる周期的な光パターン（ここでは干渉縞）Ｈｐが照射されるように設定されている。尚、このステージ１００は、例えばステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージであることとする。
【００２９】
そして、第１の光束ｈ１の光路上および第２の光束ｈ２の光路上には、それぞれ透過率可変の光減衰器１０７が配置されている。これらの光減衰器１０７は、基板Ｗの表面に照射される光パターンＨｐのコントラスト比が最大となるように透過率を調整して用いられる。
【００３０】
これらの光減衰器１０７の出射方向には、それぞれシリンドリカル凸および凹レンズからなる光学系１０８が配置され、さらにこれらを通過した第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２の光路上に、オリフィス（絞り板）１０９が配置され、このオリフィス１０９を通過した第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２による光パターンＨｐが基板Ｗに照射されるように構成されている。
【００３１】
これらの光学系１０８およびオリフィス１０９は、基板Ｗの表面に対する光パターンＨｐの照射領域を成形するために設けられている。特にここでは、光強度変動が±２０％の範囲に収まるように選択領域を選択形成することが好ましい。そこで、例えば、レーザ光発生手段１０１として、上述したＬｉｇｈｔｗａｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社の２１０−ＵＶシリーズを用いた場合、発生されたレーザ光の中央部における０．２１ｍｍ×０．２１ｍｍの領域が照射領域として選択される。
【００３２】
以上のような構成のレーザ照射装置においては、レーザ光発生手段１０１と高調波発生器１０２で発生させたレーザ光Ｈが、ビームスプリッタ１０４で分割され、かつその一方の第２の光束ｈ２が反射ミラー１０６で反射されて第１の光束ｈ１と干渉し、これによって周期的な光パターン(干渉縞）Ｈｐが形成され、これがステージ１００上の基板Ｗ表面に照射される。このため、従来の技術において図１９を用いて説明したようなマスクを用いて形成された同様の光パターンを基板Ｗに照射する場合と比較して、レーザ光エネルギーの利用効率が高く保たれた光パターンＨｐを発生させて基板Ｗに照射することが可能になる。
【００３３】
また、第２の光束ｈ２の位相シフトさせる位相シフト手段１０５が設けられていることから、干渉によって生じさせた光パターンＨｐをステージ１００上において光学的に移動することができる。この移動は、干渉によって生じる光パターンＨｐの周期よりも短い高精度の範囲で行うことが可能である。これに対して、マスクを用いて形成された同様の光パターンをステージ上において同様に移動させる場合には、ステージ１００の駆動による機械的な移動を行う必要があり、ステージ１００に高精度の駆動系を設けることが要求されるため、装置コストが上昇する。したがって、本実施形態の装置においてはステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージとして設けられたステージ１００に高精度の移動が要求されることはなく、装置コストの低下を実現することが可能になる。
【００３４】
また、マスクを用いる装置においては結像光学系を必要とするが、本装置においてはこれが不要であり、ビーム整形以外にはレンズが不要なため、ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）やＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）などの短波長レーザを光源とする場合も、特殊なレンズが不要であり、装置コストを低減可能な上、スケールアップも容易であるという利点が得られる。
【００３５】
そして特に、本実施形態で用いた位相シフト手段１０５は、電気光学的に位相シフトさせるものであるため、位相シフトを高周波で行うことができる、つまり光パターンＨｐの光学的な移動を高周波で行うことができるのである。したがって、基板Ｗの表面に対して、光パターンＨｐの照射位置を光学的に移動させながら照射する場合、より高速で光パターンＨｐの照射位置を光学的に移動させることが可能になり、処理時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００３６】
また、このように高速で位相をシフトさせることが可能になるため、発振周波数の高いパルス発振のレーザ光に同期させて位相をシフトさせることが可能になる。したがって、レーザダイオード励起のＹＡＧレーザのような発振周波数が高いレーザ光発生手段１０１を用いることができる。このレーザダイオード励起のＹＡＧレーザは、連続使用時の寿命が１万時間（１０ｋＨｚ）以上である。これは、フラッシュランプ励起Ｑスイッチパルス発振固体レーザのランプ交換周期が５００時間（１０Ｈｚ）であることと比較して１桁以上長く、１年以上の連続稼働が可能な信頼性の高いレーザ照射装置を構築することが可能になる。
【００３７】
尚、以上においては、電気光学的に光束の位相をシフトさせる位相シフト手段１０５を、ビームスプリッタ１０４と反射ミラー１０６との間の第２の光束ｈ２の光路に配置した構成を説明した。しかし、この位相シフト手段１０５は、第１の光束ｈ１の光路上または第２の光束ｈ２の光路上であれば、特に限定されることはなく、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、光パターンＨｐを発生させる手段（光干渉手段）として、マイケルソン干渉計やフィゾー干渉計等の干渉計を用いても良い。この場合、これらの干渉計において、分割された光束の光路に、上述した電気光学的な位相シフト手段を設けてレーザ照射装置を構成することで、上述した図１に示すレーザ照射装置と同様に高速処理を行うことが可能になる。
【００３９】
また、以上の説明においては、干渉によって生じさせた光パターンの照射領域を成形するために、シリンドリカル凸および凹レンズからなる光学系１０８とオリフィス１０９とを設けた構成にした。光学系１０８として、非球面レンズ系または非球面ミラー系の光学系を用いることで、ガウシアンプロファイルのレーザ光Ｈをある程度均一化し、レーザエネルギーの利用効率をさらに向上させることも可能である。
【００４０】
尚、以上においては、光パターンＨｐを光学的に高周波で移動することを目的としたため、レーザ光発生手段１０１として、レーザダイオード励起のＹＡＧレーザを用いた場合を説明した。しかし、レーザ光発生手段１０１としては、フラッシュランプ励起のＱスイッチＹＡＧレーザを用いることも可能である。
【００４１】
半導体薄膜の処理方法
次に、本発明の半導体薄膜の処理方法として、図１を用いて説明したレーザ照射装置を用いて非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）を結晶化する場合の処理方法を説明する。
【００４２】
先ず、ガラス基板Ｓ上に、非晶質シリコン薄膜Ｌを成膜した基板Ｗを用意する。この非晶質シリコン薄膜Ｌは、例えばこの半導体薄膜の処理方法が適用される薄膜トランジスタの構成にならい、ここでの図示を省略した窒化シリコン（ＳｉＮ_x）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を介してガラス基板Ｓ上に形成されることとする。
【００４３】
これらの膜の成膜は、例えば薄膜トランジスタの製造工程にならい、ガラス基板を収納した真空成膜室内に原料ガスを導入し、周波数１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力を印加した平行平板電極間でグロー放電を起こし混合ガスを分解し堆積させる、いわゆるプラズマＣＶＤ法(chemical vapor deposition）法や、他のＣＶＤ法によって行われることとする。
【００４４】
ここではプラズマＣＶＤによって成膜が行われることとした場合、先ず、真空成膜室内にガラス基板Ｓを収納し、ガラス基板Ｓを加熱（例えば４００℃）しておく。そして、この真空処理室内に、原料ガスとしたシランガス（ＳｉＨ₄）とアンモニアガス（ＮＨ₃）を圧力１００Ｐａで導入し、ＳｉＮ_x膜を１００ｎｍの厚みでガラス基板上に堆積成膜する。次いで、原料ガスとしてシランガスと酸素（Ｏ₂）とを導入し、ＳｉＯ₂膜を２００ｎｍの厚みでＳｉＮ_x膜上に堆積成膜する。その後、シランガスのみを圧力１５０Ｐａで導入し、水素化された非晶質シリコン薄膜Ｌを厚さ３０〜３００ｎｍ、典型的には５０ｎｍの厚さでＳｉＯ₂膜上に堆積成膜させる。尚、非晶質シリコン薄膜Ｌ中の水素量は原子数比で約２％とする。
【００４５】
以上のようにして形成された非晶質シリコン薄膜Ｌを多結晶化する場合、図２の断面工程図を用いて説明する以下の手順で行う。
【００４６】
先ず、図１のレーザ照射装置の各部を調整することによって、例えば１ｋＨｚの周波数でレーザ光Ｈをパルス発振させて干渉させる。そして、図２（ａ）に示すように、４μｍ周期で幅２μｍの明部が現れる光強度プロファイルを有する光パターンＨｐを、基板Ｗ表面の非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１（０．２ｍｍ×０．２ｍｍ）に照射する。これにより、非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１における幅２μｍの各照射部分（明部）を第１ショット２０１目の結晶化部分として選択的に融解させる。この際、幅２μｍの各非照射部（暗部）は、非晶質シリコンの融点よりも１００℃以上低い温度に保たれる。尚、第１ショット２０１の照射においては、レーザ照射装置の位相シフト手段（１０５）には、電圧が印加されていない状態であることとする。
【００４７】
そして、この第１ショット２０１の照射終了後の降温時に、融解領域と未融解領域との境界部分から融解領域に向かってシリコン多結晶を横方向成長（ラテラル成長）させる。この際、融解領域の幅が、結晶が横方向成長し得る距離の２倍以下である場合、例えば厚さ５０ｎｍのシリコン薄膜では約０．１〜５μｍの２倍以下である場合には、１回の照射で明部の全体にストライプ状に横方向成長領域が形成される。尚、横方向成長し得る距離はレーザのパルス幅やパルス波形に依存し、さらに半導体薄膜の膜厚の増加と基板温度の上昇に伴い増加する。この横方向成長に関しては、後に詳しく説明する。
【００４８】
以上のような第１ショット２０１目のレーザ光照射を、１回または必要に応じて複数回行った後、レーザ照射装置のパルス発振に同期させて、位相シフト手段（１０５）に５００Ｖの電圧を印加する。これにより図２（ｂ）に示すように、光パターンＨｐをその配列方向に１．３３μｍ移動させる、１回目の光学的な一次走査を行い、第１ショット２０１目に端縁を重ねた第２ショット２０２目の照射を行う。そして、第１領域Ｌ１の第２ショット２０２目の部分に、第１ショット２０１と同様に結晶を横方向成長させる。この第２ショット２０２の横方向成長においては、第１ショット２０１との境界には既に横方向成長した多結晶が存在し、これを種として、過冷却プロセス無しで横方向成長するため、第１ショット２０１よりは長い多結晶粒が得られる。
【００４９】
以上の後、レーザ照射装置のパルス発振に同期させて、位相シフト手段（１０５）に印加する電圧を５００Ｖから１０００Ｖに切り換える。これにより図２（ｃ）に示すように、光パターンＨｐをその配列方向にさらに１．３３μｍ移動させる、２回目の光学的な一次走査を行い、第２ショット２０２と第１ショット２０１とに両側の端縁を重ねた第３ショット２０３目の照射を行い、第２ショット２０２目と同様に過冷却プロセス無しで結晶を横方向成長させる。
【００５０】
以上の３ショット２０１〜２０３の照射により、非晶質シリコン薄膜Ｌの０．２ｍｍ×０．２ｍｍの第１領域Ｌ１内を、均一な多結晶シリコンに結晶化させる。尚、これに要する時間は約３ｍｓ程度であり、結晶化速度は約０．１３３ｃｍ²／秒程度となる。
【００５１】
図３は上記一次走査を伴う照射方法を平面図で示したものであり、このように、第１ショット２０１、第２ショット２０２、および第３ショット２０３を重ねて行うことにより、第１領域Ｌ１内を隈なく融解および多結晶化可能なことを示す。尚、図３では分かりやすくするために、各ショット２０１〜２０３を、光パターンの延設方向（図で横方向）にずらして示している。
【００５２】
以上のようにして、非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１内を結晶化した後、図２（ｄ）に示すように、ステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージの駆動により、基板Ｗを０．２ｍｍ程度移動して、レーザ照射装置によるレーザ光の照射領域を非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１に隣接する第２領域Ｌ２に移動させる、機械的な二次走査を行う。
【００５３】
そして、この第２領域Ｌ２に対して、図２(ｄ)〜(ｆ)に示す３ショット２０１〜２０３のレーザ光照射を図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて説明したと同様に行う。これにより、第１領域Ｌ１に隣接する０．２ｍｍ×０．２ｍｍの第２領域Ｌ２を結晶化させる。
【００５４】
以降、ステージの駆動による機械的な二次走査と、位相シフト手段の駆動による電気光学的な一次走査とを繰り返し行い、非晶質シリコン薄膜Ｌの必要領域（例えば全面）に光パターンＨｐを照射する。
【００５５】
以上のような処理方法により、非晶質シリコン薄膜Ｌの必要領域（例えば全面）が結晶化され、多結晶シリコン薄膜を得ることができる。
【００５６】
図４には、上述した手法で非晶質シリコン薄膜Ｌに対して光パターン（干渉縞）を１回だけ照射した後のシリコン薄膜の各結晶粒４０を、粒界を顕在化させるためのエッチング（Seccoエッチング）した後に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像を模式的に示したものである。尚、図中の各ブロックがそれぞれ各結晶粒４０を示している。
【００５７】
この図に示すように、幅２μｍの各照射部分（明部）が完全融解したことで多結晶化されているが、暗部とのエッジＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’部分は融解端、すなわち融解部分と非融解部分の境界領域であるため、他の領域に先立って凝固する。そのため、多数の核（結晶粒４０）が発生するが、その中でも相対的に成長速度が速い結晶粒４０が優先的に成長し、エッジＡ−Ａ’ とＢ−Ｂ’のそれぞれから成長してきた結晶がぶつかりあったところ、すなわち融解幅方向のほぼ中央で、結晶成長が完了することが分かる。
【００５８】
横方向成長は原理的には、初期に結晶化した部分が凝固する際に融解潜熱（Ｓｉでは１．６×１０⁶ Ｊ／kg）を放出し、沖合の液相（未凝固）部分を加熱し、一方、液相部分の核発生率が温度に対する急峻な関数であり、凝固部分からの加熱により核発生が抑制される結果、凝固部分からの結晶成長が持続するために起こる。これは、液相シリコンの熱伝導率が１１０(Ｗ／ｍ・Ｋ)と、下地のＳｉＯ₂層、ＳｉＮ_X層およびガラス基板の熱伝導率１〜２(Ｗ／ｍ・Ｋ)よりも圧倒的に大きいために起きる現象である。
【００５９】
但し、融解幅が増加した場合、融解領域の中央付近は凝固部分からの加熱よりは、下地のＳｉＯ₂／ＳｉＮ_X層およびガラス基板への熱の散逸の方が勝り、結晶が横方向成長して来る前に核が発生してしまうため、横方向成長し得る距離には限界があり、基板を特に加熱しない場合、厚さ５０ｎｍのシリコン薄膜では実験的には２〜５μｍが限度となる。従って融解幅または融解直径は１０μｍ以下、したがって干渉縞の周期は２０μｍ以下にする必要がある。
【００６０】
尚、融解幅は、上述したように光パターン（干渉縞）の周期のちょうど１／２である必要は必ずしもない。例えば、照射面内の平均レーザ光強度が減少すると、融解幅も干渉縞の周期の１／２未満になるが、同一基板位置でレーザ光の強度プロファイルを移動または変化させて照射する際に必要な照射回数が増加するだけで、原理的に格段の不都合が生じることはない。
【００６１】
以上のように、このような半導体薄膜の処理方法によれば、光パターンにおけるレーザ光の照射部において、半導体薄膜を完全融解させているため、１０〜２０％程度のレーザエネルギーばらつきには依存せず、一定の多結晶化が可能なため、レーザエネルギー安定化のために特別な工夫やコストを必要としない。これにより薄膜トランジスタ特性の均一性が向上し、表示特性も改善される。
【００６２】
さらに、粒界が一次走査方向と平行な多結晶粒が支配的になるため、以降に説明するように薄膜トランジスタの製造に適用した場合、チャネルを流れる電流の方向を粒界と平行にすれば、粒界におけるキャリアトラップの影響を低減でき、薄膜トランジスタ特性を向上できるという利点が得られる。このため、この処理方法を適用して形成された薄膜トランジスタを液晶表示パネルまたはＥＬ表示パネルなどの駆動回路に用いることで、薄膜トランジスタサイズの縮小や高速化を達成することができる。
【００６３】
そして特に、光パターンを光学的に移動させる一次走査を、電気光学的な位相シフトによって行っているため、高周波での位相シフトによる高速での光パターン移動が可能である。この結果、半導体薄膜の処理速度を短縮化することが可能になる。
【００６４】
（第２実施形態）
レーザ照射装置
図５は、レーザ光の干渉を利用するレーザ照射装置の他の例を示す構成図である。この図に示すレーザ照射装置は、例えば半導体薄膜を結晶化させるための処理に用いられるものであり、特に高速での処理を必要としない場合に用いられるものである。
【００６５】
図５に示すレーザ照射装置は、図１を用いて説明した本発明のレーザ照射装置に用いた電気光学的な位相シフト手段（１０５）に換えて、機械的な位相シフト手段２０５を備えている。
【００６６】
すなわち、この位相シフト手段２０５は、例えば、第２の光束ｈ２をステージ側に反射させるための反射ミラー１０６を機械的に移動させるピエゾ駆動マイクロメータからなる。この位相シフト手段２０５は、反射ミラー１０６を、第２の光束ｈ２の入射方向に対して移動させることによって、第２の光束ｈ２の光路長を変更する。また、この移動に追従させて、第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とのなす角度（狭角）が所定角度（例えば５．０９度）となるように、第２の光束ｈ２の入射方向に対する反射ミラー１０６の角度も変更する。これによって、第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを重ね合わせて干渉させ、コントラストの良好な干渉縞の光パターンを生じさせる。
【００６７】
このような位相シフト手段２０５が設けられたレーザ照射装置には、例えばフラッシュランプ励起のＱスイッチＹＡＧレーザのような、発振周波数１０Ｈｚ程度のレーザ光発生手段２０６を用いることとする。このレーザ光発生手段２０６には、干渉性を向上させるために、インジェクション・シーダー付きのものを用いることが好ましい。尚、高調波発生器１０２を用いて第３高調波（波長３５５ｎｍ）に波長変換した後のレーザ光Ｈのパルス幅は、約１０ｎｓ、１パルスあたりのエネルギーは５００ｍＪ、エネルギーばらつきは±７％以内となる。また、照射領域内で均一な光強度プロファイルが得られるようトップハット型のビームプロファイルを有するＹＡＧレーザを用いることが好ましい。
【００６８】
そして、シリンドリカル凸および凹レンズからなる光学系１０８とオリフィス１０９を使用し、基板上での光スポットが５０ｍｍ×２ｍｍとなるように整形する。これら照射光学系の損失のため、非晶質シリコン薄膜上での光強度は約４００ｍＪ/ｃｍ²になる。各光束は透過率可変の光減衰器１０７を通し、光透過率を調整し、これらの光束ｈ１，ｈ２の干渉によって生じる光パターンＨｐが、ステージ１００に載置した基板Ｗ表面で最大のコントラストとなるように調整して用いられる。これにより、そのコントラスト比が約１０：１程度と、非晶質シリコン薄膜に光パターンＨｐ（干渉縞）に応じた融解パターンを形成するのに十分なコントラストを有する光パターンＨｐが形成される。
【００６９】
このような構成のレーザ照射装置は、位相シフト手段２０５が機械的に反射ミラー１０６を移動させるものであるため、図１を用いて説明した第１実施形態のレーザ照射装置と比較して、第２の光束ｈ２を位相シフトさせることによる光パターンＨｐの光学的な移動速度は劣るが、その他の効果は、第１実施形態の装置と同様に得ることができる。
【００７０】
半導体薄膜の処理方法
以上のような図５を用いて説明したレーザ照射装置を用いた非晶質シリコン薄膜を結晶化する場合の処理方法は、第１実施形態の処理方法で説明したと同様の手順で行うことができる。ただし、ステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージの駆動により基板Ｗを移動し、レーザ照射装置によるレーザ光の照射領域を移動させる機械的な二次走査を行う場合には、このレーザ照射装置の照射領域（５０ｍｍ×２ｍｍ）に合わせて移動距離を設定し、各照射領域間に隙間ができることのないようにする。
【００７１】
（第３実施形態）
レーザ照射装置
図６は、レーザ光の干渉を利用するレーザ照射装置の他の例を示す構成図である。この図に示すレーザ照射装置は、例えば半導体薄膜を結晶化させるための処理に用いられるものであり、図１を用いて説明した第１実施形態のレーザ照射装置との異なる点は、レーザ光発生手段１０１から発生させたレーザ光Ｈを、３光束に分割して干渉させる点にある。
【００７２】
すなわちこのレーザ照射装置は、第１実施形態と同様のレーザ光発生手段１０１、高調波発生器１０２、および光減衰器１０３を備えている。そして、光減衰器１０３を通過したレーザ光の出射方向には、レーザ光を分割する分割手段としてのビームスプリッタ３０１が配置されている。このビームスプリッタ３０１は、レーザ光Ｈを２光束に分割し、分割された第１の光束ｈ１を反射させる一方、残りのレーザ光Ｈ’を透過させる。ここでは、反射させる第１の光束ｈ１と透過させるレーザ光Ｈ’とを１：２の割合で分割させることとする。
【００７３】
そして、ビームスプリッタ３０１の透過方向には、もう一枚のビームスプリッタ３０２が配置されており、このビームスプリッタ３０２に入射したレーザ光Ｈ’の１／２を第２の光束ｈ２として反射させる一方、残りの１／２を第３の光束ｈ３として透過させる。ここでは、第２の光束ｈ２と第３の光束ｈ３とを１：１の割合で分割させる。つまり、レーザ光発生手段１０１から発生させたレーザ光は、ビームスプリッタ３０１，３０２によって１：１：１の割合で、第１の光束ｈ１、第２の光束ｈ２および第３の光束ｈ３に分割されるように構成されている。
【００７４】
そして特に、ビームスプリッタ３０２は、第１の光束ｈ１に対して第２の光束ｈ２が平面的に１２０度の角度で交わるように当該第２の光束ｈ２を反射し、これにより第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを重ね合わせて干渉させる干渉手段としても用いられている。
【００７５】
そして、ビームスプリッタ３０２を透過した第３の光束ｈ３の光路上には、必要に応じた枚数（ここでは３枚）の反射ミラー反射３０３〜３０５が配置されている。これらの反射ミラー３０３〜３０５は、ビームスプリッタ３０２を透過した第３の光束ｈ３を平面的に９０度ずつ折り曲げるように配置され、これによって第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２に対して、第３の光束ｈ３が平面的に１２０度の角度で平面的に交わるように当該第３の光束ｈ３を反射する。すなわち、反射ミラー３０３〜３０５は、第１の光束ｈ１、第２の光束ｈ２、および第３の光束ｈ３とを重ね合わせて干渉させる干渉手段として用いられているのである。
【００７６】
尚、以上のように第１の光束ｈ１、第２の光束ｈ２、および第３の光束ｈ３を平面的に１２０度の角度で交わるように反射させるため、図面平面上を光路とするレーザ光Ｈに対して、ビームスプリッタ３０１，３０２、および反射ミラー３０３〜３０５は、図面上に垂直に立設させた状態で、次のような角度で配置されていることとする。すなわち、ビームスプリッタ３０１は、その法線を、レーザ光Ｈの入射方向に対して７５度に保って配置される。また、ビームスプリッタ３０２は、その法線を、レーザ光Ｈ’の入射方向に対して１５度に保って配置される。さらに、反射ミラー３０３〜３０５は、第３の光束ｈ３を入射方向に対して９０度ずつ折り曲げるように配置されている。
【００７７】
以上のように配置された、ビームスプリッタ３０１，３０２および反射ミラー３０５の反射方向には、それぞれ透過率可変の光減衰器３０６、位相シフト手段３０７を配置する。これらの光減衰器３０６および位相シフト手段３０７は、第１実施形態と同様のものであり、特に位相シフト手段３０７は電気光学的に各光速ｈ１〜ｈ３を位相シフトさせるものであることが好ましい。
【００７８】
そしてさらに、各位相シフト手段３０７を透過した第１の光束ｈ１、第２の光束ｈ２、および第３の光束ｈ３の光路上には、それぞれステアリングミラー３０８を配置する。これらのステアリングミラー３０８は、平面的に１２０度を保って交わるように入射される各光束ｈ１〜ｈ３を同一方向（例えば図面上における奥行き方向）に屈折させ、屈折方向に配置されたステージ上の基板（図示省略）の法線に対して、各光束ｈ１〜ｈ３を約３．５度の入射角度（垂直入射角度）で入射させ、この基板上において重ね合わせるように設けられることとする。
【００７９】
これにより、ステージに載置された基板表面に、第１の光束ｈ１、第２の光束ｈ２、および第３の光束ｈ３とを重ね合わせて干渉させることよる周期的な光パターンが照射されるように設定されている。このような３光束ｈ１〜ｈ３の重ね合わせによる干渉によって、図７に示すような周期的な光パターンが生じる。この光パターンは、例えばJournal of Applied Physics誌、第８２巻、１４９７〜１４９９ページ(１９９７年)に報告されているように、垂直入射角度に応じた直径を有する円形の高光強度スポット４０１-1が照射面内で規則的に配列した光強度プロファイルとなる。
【００８０】
また、図６に示したように、各ステアリングミラー３０８を通過した各光束ｈ１〜ｈ３の光路には、オリフィス（絞り板）３０９が配置され、このオリフィス３０９を通過した光束ｈ１〜ｈ３が、上述した所定角度を保って基板上において交わるように構成されていることとする。
【００８１】
このオリフィス３０９は、基板の表面に対するレーザ光の照射領域を整形するために設けられており、ここでは基板上での光スポットが０．５ｍｍ×０．５ｍｍとなるように整形されることとする。そして、これら照射光学系の損失のため、基板上での平均光強度は約１６０ｍＪ／ｃｍ²程度になる。
【００８２】
尚、ここでの図示を省略した基板を載置するためのステージは、オリフィス３０９の直下に近接して配置されるもので、第１実施形態のレーザ照射装置と同様のステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージであることとする。
【００８３】
以上のように構成されたレーザ照射装置では、光束ｈ１〜ｈ３の光路中に挿入された光減衰器３０６の透過率を調整することによって、ステージ上に配置した基板の表面に照射される光パターンの光強度プロファイルが、円形の明部とその他の暗部とのコントラスト比が最大となるように調整し、これによりその比を約８：１にすることができる。これは、基板表面に成膜された非晶質シリコン薄膜に、光パターンに応じた融解パターンを形成するのに十分なコントラストになる。
【００８４】
また、この光パターンの移動は、各位相シフト手段３０７に直流電圧を印加することで達成される。またさらに、ステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージにより、このステージ上に載置した基板を光パターンの照射位置に対して機械的に移動させることもできる。
【００８５】
このような構成のレーザ照射装置であっても、第１実施形態のレーザ光照射手段と同様に、位相シフト手段３０７が、電気光学的に位相シフトさせるものであるため、位相シフトを高周波で行うことができる、つまり光パターンの光学的な移動を高周波で行うことできる。また、その他の効果も第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
半導体薄膜の処理方法
以上のような図６を用いて説明したレーザ照射装置を用いた非晶質シリコン薄膜を結晶化する場合の処理方法は、第１実施形態の処理方法で説明したと同様の手順で行うことができる。ただし、同一の照射領域内における光パターンの光学的な移動（一次走査）は、第１実施形態では干渉縞の配列方向に向かう１方向であったのに対し、このレーザ照射装置を用いた場合には少なくとも２方向に移動させることが好ましい。
【００８７】
具体的には、照射領域内でｘ方向に１．０μｍステップで移動しながら（一次走査）４ショット（４０１-1〜４０1-4）照射し、次いでｙ方向に１．０μｍステップで移動した位置でさらに−ｘ方向に１．０μｍステップで移動しながら（一次走査）次の４ショット（４０２-4〜４０２-1）照射し…と、ｘ方向（または−ｘ方向）への一次走査とｙ方向への一次走査を繰り返し、この照射面内に合計１６ショットを照射する。尚、図７においては、上記一次走査を伴う照射方法を平面図で示したものであり、第１ショット４０１-1のみを６スポット分示し、第２〜第１６ショットは１スポット分だけ示している。これにより、０．５ｍｍ×０．５ｍｍの照射領域内を約０．０２秒で均一に多結晶化する。
【００８８】
その後、ステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージにより、非晶質シリコン薄膜付き基板を機械的に０．５ｍｍ移動し（二次走査）、隣接する領域の多結晶化を行う。以降同様に、光パターンの光学的な移動（一次走査）と基板の機械的な移動（二次走査）を伴うレーザ照射を繰り返し、基板の全面を多結晶シリコン化する。
【００８９】
このような第３実施形態の処理方法では、光パターンの照射部（明部）が円形であるため、多結晶の粒界が照射面内であらゆる方向にほぼ均一化される。これにより、次に説明するように、例えばこのような処理によって得られた多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成した場合、薄膜トランジスタの形成方向による特性のバラツキを小さく抑えることが可能になる。つまり、粒界が一方向のみに向かっている場合には、薄膜トランジスタのチャネルを流れる電流方向と多結晶の粒界が平行な場合の方が、垂直な場合よりも粒界欠陥の影響が小さくなり薄膜トランジスタ特性が向上するという特性異方性が生じるが、このような異方性を解消することができる。この結果、以降に説明するように、この薄膜トランジスタを液晶表示パネルまたはＥＬ表示パネルの駆動回路に適用する場合、チャネルの向きを自由にレイアウトできるという効果を得ることができる。
【００９０】
（第４実施形態）
レーザ照射装置
図８は、レーザ光の干渉を利用するレーザ照射装置の他の例を示す構成図である。この図に示すレーザ照射装置は、例えば半導体薄膜を結晶化させるための処理に用いられるものであり、これまで述べてきた実施形態と同様に半導体薄膜、例えば非晶質シリコン薄膜の多結晶化処理に用いることができる。
【００９１】
この図に示す本第４実施形態のレーザ照射装置と、図１を用いて説明した第１実施形態のレーザ照射装置との異なるところは、次の２点にあり、他の構成は同様であることとする。
【００９２】
すなわち、第１の相違点は、図１の第１実施形態のレーザ照射装置においてレーザ光発生手段（１０１）として用いたレーザダイオード励起ＹＡＧレーザに換えて、本第４実施形態のレーザ照射装置ではレーザダイオード励起のＹＬＦ（ＬｉＹＦ₄）レーザをレーザ発生手段１０１’として用いているところにある。
【００９３】
また、第２の相違点は、図１の第１実施形態のレーザ照射装置で用いていたビームスプリッタ１０４を通過した後の光減衰器（１０７）と光学系（１０８）に換えて、本第４実施形態のレーザ照射装置ではオリフィス（絞り板）１１０を用いているところにある。
【００９４】
そして、上述したレーザダイオード励起のＹＬＦ（ＬｉＹＦ₄）レーザをレーザ発生手段１０１’として用いたことで、レーザ光発生手段１０１’で発生させたレーザ光Ｈの出射方向に配置された高調波発生器１０２では、レーザダイオード励起のＹＬＦレーザからなるレーザ光発生手段１０１’から発生させたレーザ光Ｈの基本波（波長１０５３ｎｍ）を第２高調波（波長５２７ｎｍ）に波長変換させる。これにより、波長変換後のレーザ光Ｈは、例えばパルス幅が約１００ｎｓ、１パルスあたりのエネルギーが２０ｍＪ（１ｋＨｚ発振時）、すなわち２０Ｗとなる。この値は、第１実施形態で用いたレーザダイオード励起のＱスイッチＹＡＧレーザと比較すると、数ｋＨｚ以下の発振周波数において１パルスあたりのエネルギーが一桁以上高い値である。
【００９５】
なお、前記第１実施形態における第３高調波に換えて、第２高調波を使うことに関しては、処理しようとする薄膜の光吸収係数が変わること以外、特に原理的な相違点はない。一例として非晶質シリコン薄膜の波長５２７ｎｍでの光吸収係数は約１０⁵（ｃｍ^-1）以上であり、厚さ４０ｎｍもあれば少なくとも部分的には光吸収し、加熱、融解可能である。また別の例として多結晶シリコン薄膜では室温での光吸収係数は約１×１０⁴（ｃｍ^-1）であるが、パルス光照射中に昇温するとバンドギャップが小さくなり５〜３０倍の光吸収係数増加があるため、やはり厚さが４０ｎｍ以上あれば充分、加熱、融解可能である。
【００９６】
また、光減衰器（１０７）と光学系（１０８）に換えて用いられるオリフィス１１０は、基板Ｗに対向して設けられているオリフィス（以下第３のオリフィスと記す）１０９に入射する第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２の光路上に設けられており、これらのオリフィス１１０を通過した第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２の干渉による光パターンＨｐが、第３のオリフィス１０９を通過後に基板Ｗに照射されるように構成されている。
【００９７】
これらのオリフィス１１０は、例えば第３のオリフィス１０９と同様に金属薄板に２ｍｍ角の正方形の穴が開いたものが用いられ、第３のオリフィス１０９と共に基板Ｗの表面に対する光パターンＨｐの照射領域を成形するために設けられている。特にここでは、光強度変動が±２０％の範囲に収まるような領域を用いて光パターンＨｐの照射領域が成形されることが好ましい。具体的には、レーザ光発生手段１０１’として用いるレーザダイオード励起のＹＬＦレーザが、ビーム直径約３ｍｍでトップハット型のビームプロファイルを有する場合、発生されたレーザ光の中央部における２ｍｍ×２ｍｍの正方形領域が、各オリフィス１１０および第３のオリフィス１０９によって照射領域として選択されるようにする。
【００９８】
また、上述した２点を変更したことにより、レーザ照射装置を構成する他の構成部材の設定を次のように適正化する。
【００９９】
すなわち、ビームスプリッタ１０４を通過した後の光減衰器（１０７）と光学系（１０８）に換えてオリフィス１１０を用いたことで、ビームスプリッタ１０４を通過した後の光減衰を調節できなくなる。このため、位相シフト手段１０５での光強度損失（約５％）を考慮し、ビームスプリッタ１０４としては完全に１：１分割比ではなく、光透過率５１．１％、光反射率４８．５％のものを用いることが好ましい。こうすることで２つの光束ｈ１，ｈ２の干渉によって生じる光パターンＨｐが、ステージ１００に載置した基板Ｗ表面で最大のコントラストとなるようにすることが可能であり、コントラスト比が約１０：１程度と、非晶質シリコン薄膜に光パターンＨｐ（干渉縞）に応じた融解パターンを形成するのに十分なコントラストを有する光パターンＨｐの形成が可能になる。
【０１００】
さらに、ビームスプリッタ１０４の透過方向に設けられる位相シフト手段１０５は、第１実施形態に述べたと同様の電気光学効果を利用したものを用いることとする。また、位相シフト手段１０５を設けることによって、光パターンＨｐに乱れが生じることのないように、位相シフト手段１０５に用いる結晶を第２の光束ｈ２が透過する際に波面歪がλ／１０（５２．７ｎｍ）以下となるように、高精度で研磨されたＫＤＰ結晶を用い、印加電圧１５００Ｖで位相が３６０度遅れるものを用いることとする。
【０１０１】
また、光干渉手段として用いられている反射ミラー１０６は、波長λ_L＝５２７ｎｍのレーザ光Ｈを分割した第１の光束ｈ１と第２の光束ｈ２とを干渉させて周期的な光パターン（ここでは干渉縞）Ｈｐが発生するように配置されていることとする。具体的には、周期６．０μｍの干渉縞を基板Ｗ表面に照射する場合には、前記式（１）に従い、光束ｈ１、ｈ２の交差角度θは５．０３度となる。そこで、反射ミラー１０６は、ビームスプリッタ１０４で反射された第１の光束ｈ１に対して、第２の光束ｈ２が狭角θ＝５．０３度で交わるべく、当該第２の光束ｈ２を反射させるように設定されることとする。
【０１０２】
そして、このようなミラー１０６の設定により、オリフィス１１０は、上述した狭角θ＝５．０３度で交わるべく第３のオリフィス１０９に入射される第１の光束ｈ１および第２の光束ｈ２の光路上に配置されることになる。
【０１０３】
このような構成の第４実施形態のレーザ照射装置では、レーザダイオード励起のＹＬＦ（ＬｉＹＦ₄）レーザをレーザ発生手段１０１’として用いたことで、レーザダイオード励起のＹＡＧレーザを用いた第１実施形態と比較し、数ｋＨｚ以下の発振周波数において１パルスあたりのエネルギーを一桁以上高い値にできる。このため、第１実施形態のレーザ照射装置と比較して、同一出力（ワット数）のレーザ光照射による処理を行う場合のレーザ照射領域の面積を２桁以上広くすることが可能になる。具体的には、第１実施形態においては、レーザ照射領域が０．２ｍｍ×０．２ｍｍ程度であったのに対して、本第４実施形態においては２ｍｍ×２ｍｍとすることができる。
【０１０４】
この結果、レーザ光の光学的な走査によって照射スポット内を多結晶化する一次走査と、１００Ｈｚ以下の送り周波数で２ｍｍずつ基板を機械的に走査する二次走査を繰り返し、隣接する領域を多結晶化して行く、いわゆるステップ・アンド・リピート方式により基板全面を処理することが、ステッピングモーター駆動の通常のステージによって比較的容易に実現可能となる。
【０１０５】
また、上述したように、ビームスプリッタ１０４を通過した後の光減衰器（１０７）と光学系（１０８）に換えてオリフィス１１０を用いたことで、分割された光束ｈ１，ｈ２の波面乱れを最小限に抑え、照射スポット内の光パターンＨｐの乱れを抑制することが可能になる。したがって、光パターン精度の高いレーザ光照射による処理を行うことが可能になる。
【０１０６】
なお、本実施形態においては位相シフト手段として電気光学素子を用いた場合を説明した。しかし、位相シフト手段は、第２実施形態と同様の、第２の光束ｈ２をステージ側に反射させるための反射ミラー１０６を機械的に移動させるピエゾ駆動マイクロメータからなるものであっても良く、同様の効果を得ることが可能である。
【０１０７】
半導体薄膜の処理方法（１）
次に、本発明の半導体薄膜の処理方法として、図８を用いて説明したレーザ照射装置を用いて非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）を結晶化する場合の処理方法の第１例を説明する。
【０１０８】
先ず、第１実施形態において説明したと同様に、ガラス基板Ｓ上にＳｉＮ_x膜、ＳｉＯ₂膜、非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）Ｌを順次堆積成膜する。ただし、非晶質シリコンＬの膜厚３０〜３００ｎｍの最適値は、第１実施形態で説明した５０ｎｍよりも広く、典型的には４０ｎｍ〜１２０ｎｍであることとする。そして、非晶質シリコン薄膜Ｌ中の水素量は原子数比で約０．５〜２％とし、必要に応じて窒素または真空雰囲気中で数時間加熱し、薄膜中の水素濃度を低減する脱水素処理を行っても良い。
【０１０９】
以上のようにして形成された非晶質シリコン薄膜Ｌを多結晶化する場合、図９〜１２の平面工程図を用いて説明する以下の手順で行う。
【０１１０】
先ず、図８のレーザ照射装置を調整することによって、例えば１ｋＨｚの周波数でレーザ光Ｈをパルス発振させて干渉させる。そして、図９に示すように、６μｍ周期の光強度プロファイルを有する光パターンＨｐ（図８参照）を、基板Ｗ表面の非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１（２ｍｍ×２ｍｍ）に照射する。
【０１１１】
この際、光減衰器（１０３）で照射光強度を調整し、幅１．５μｍの部分が光強度４００ｍJ／ｃｍ²以上となり、非晶質シリコン薄膜Ｌが幅１．５μｍで周期的かつ選択的に融解される融解領域ａとなるようにする。また、このような各溶融領域ａが周期的に生じる１ショット目のレーザ光照射は、１回または必要に応じて複数回行うこととする。なお、照射スポット（第１領域Ｌ１）内の光強度分布に起因する融解領域ａの幅１．５μｍのばらつきは±０．１μｍ以内程度となる。
【０１１２】
そして、この１ショット目の照射終了後の降温時に、融解領域ａと未融解領域ｂとの境界部分から融解領域ａに向かってシリコン多結晶を横方向成長（ラテラル成長）させる。なお、１ショット目の照射においては、レーザ照射装置の位相シフト手段（１０５）には、電圧が印加されていない状態であることとする。
【０１１３】
図１０には、非晶質シリコン薄膜Ｌに対して図９に示した光パターン（干渉縞）を１回だけ照射した後のシリコン薄膜の各結晶粒４０を、粒界を顕在化させるためのエッチング（Seccoエッチング）した後に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像を、幅１．５μｍの融解領域ａの一部（図９のａ１部分）を拡大して模式的に示した。なお、図中の各ブロックがそれぞれ各結晶粒４０を示している。
【０１１４】
この図１０に示すように、幅１．５μｍの融解領域ａは、非晶質シリコンが完全融解したことで選択的に多結晶化されているが、未溶解領域ｂ（図９参照）とのエッジＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’は融解端であるため、レーザパルス終息後の冷却速度が速く、他の領域に先立って凝固する。そのため、各融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’から幅約０．１５μｍの領域ａ２では多数の核が発生し、小粒径の多結晶群（結晶粒４０）が生成される。それらの中で融解領域ａ中央に向かう成長速度が相対的に速い結晶粒４１が優先的に横方向成長して行き、融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’のそれぞれから成長してきた結晶がぶつかりあったところ、すなわち融解幅方向のほぼ中央の接合部Ｃ−Ｃ’で結晶成長が完了する。このため、優先的に成長する結晶粒４１は、融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’から接合部Ｃ−Ｃ’に向って［（１．５μｍ／２）−０．１５μｍ］＝０．６μｍ程度横方向に成長したものとなる。
【０１１５】
尚、横方向成長し得る距離はレーザのパルス幅やパルス波形に依存し、さらに半導体薄膜の膜厚の増加と基板温度の上昇に伴い増加するため、プロセス毎に、横方向成長が融解幅方向のほぼ中央Ｃ−Ｃ’にまで十分に到達できるような融解領域ａの幅、すなわち上述した干渉縞の周期とレーザ光強度を設定することが重要となる。これは、第１実施形態でも同様である。
【０１１６】
以上のような１ショット目のレーザ光照射を行った後、第１実施形態と同様に２ショット目以降のレーザ光照射を行うが、この第２ショット目以降のレーザ光の照射を、図１１に基づいて説明する。
【０１１７】
図１１は、各ショットにおいて、周期的な光パターン（干渉縞）を１回または必要に応じて複数回照射した後の横方向成長結晶の様子を模式的に示しており、図１０における代表的な（横方向成長した）結晶粒４１を４個抽出して、三角形にて単純化して表現したものである。また、干渉縞の周期である６μｍ毎に同様な横方向結晶が得られる様子も合わせて模式的に示している。
【０１１８】
先ず、図１１（ａ）に示したように、１ショット目（第１ショット５０１）のレーザ光照射を、１回または必要に応じて複数回行い、第１ショット５０１目に０．６μｍ程度の長さで横方向成長させた結晶粒４１を形成した後、図８に示したレーザ照射装置のパルス発振に同期させて、位相シフト手段（１０５）に１６２．５Ｖの電圧を印加し、第２の光束ｈ２に３９°の位相シフトを与える。
【０１１９】
これにより図１１（ｂ）に示すように、光パターン（干渉縞）をその配列方向（例えば第１ショット５０１目の融解端Ｂ−Ｂ’側）にのみ０．６５μｍ移動させる１回目の光学的な一次走査を行い、第２ショット５０２目のレーザ光照射を行う。この際、第１ショット５０１目の融解領域ａで横方向成長した結晶粒４１を種にして、溶融端Ａ−Ａ’側からの結晶成長が始まるように、第１ショット５０１目の接合部Ｃ−Ｃ’付近を含んで、第２ショット５０２のレーザ光が照射されるようにする。このため、第１ショット５０１〜第２ショット５０２に掛けては、溶融領域ａの幅（１．５μｍ）の１／２よりも、マージン分（０．１μｍ程度）だけ小さいずれ幅（０．６５μｍ）で、レーザ光を光学的に一次走査させる。
【０１２０】
これにより、第２ショット５０２目の溶融領域ａにおける各融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’のうち、第１ショット５０１と重なる融解端Ａ−Ａ’側では、第１ショット５０１で結晶成長させた結晶粒４１を種にして、過冷却プロセス無しで横方向成長が進められ、光パルス終息後、シリコンの温度が融点を下回ると同時に結晶成長が始まる。したがって、融解端Ｂ−Ｂ’側からの結晶成長よりも、Ａ−Ａ’側からの結晶成長が早く進み、接合部Ｃ−Ｃ’は、溶融領域ａの幅（１．５μｍ）の１／２より融解端Ｂ−Ｂ’側に近くなる。
【０１２１】
そして、本実施形態の例では、溶融端Ａ−Ａ’側から平均約０．８５μｍの横方向成長が起きる。これにより、結晶粒４１は、第１ショット５０１での成長分と合計して、（０．６μｍ＋０．８５μｍ−０．１μｍ）＝約１．３５μｍの長さに成長する。一方、溶融端Ｂ−Ｂ’側からは、過冷却プロセスを経て平均約０．５μｍの横方向成長が起きる。
【０１２２】
以上の後、レーザ照射装置のパルス発振に同期させて、位相シフト手段（１０５）に印加する電圧を１６２．５Ｖから３５０Ｖに切り換え、第２の光束ｈ２に８４°の位相シフトを与える。
【０１２３】
これにより図１１（ｃ）に示すように、光パターン（干渉縞）を、第１ショット５０１から第２ショット５０２への移動方向と同一方向に０．７５μｍ移動させる２回目の光学的な一次走査／光照射を行い、第３ショット５０３目のレーザ照射を行う。この第３ショット５０３のレーザ光照射においても、第２ショット５０２目の融解領域ａで横方向成長した結晶粒４１が接合する接合部Ｃ−Ｃ’付近を含んで、レーザ光が照射されるようにする。このため、第２ショット５０２〜第３ショット５０３に掛けては、第２ショット５０２での溶解端Ａ−Ａ’側から接合部Ｃ−Ｃ’に掛けての結晶成長の幅０．８５μｍよりも、マージン分だけ小さいずれ幅（０．７５μｍ）で、レーザ光を光学的に一次走査させることになる。これにより、結晶粒４１がさらに０．８５μｍ成長し、マージン分（０．１μｍ）を差し引いて０．７５μｍだけ延長される。この結果、結晶粒４１は、合計して約２．１μｍの長さに成長する。
【０１２４】
以降、図１１（ｄ）に示す第４ショット５０４以降を、第３ショット５０３と同様に行い、結晶粒４１をさらに成長させる。そして、図１２（ｅ）に示す第（ｎ−１）ショット（本実施形態では第８ショット５０８）まで行った時点で、第１ショット５０１で１周期離れた融解領域ａから延設された結晶粒４１同士が、第８ショット５０８の接合部Ｃ−Ｃ’で接合される。ただし、第８ショット５０８の接合部Ｃ−Ｃ’が、第１ショット５０１の接合部Ｃ−Ｃ’を通過していない場合、結晶粒４１の融解端Ｂ−Ｂ’側の端部に、他の部分と比較して細い部分が残る。このため、図１２（ｆ）に示すように、さらにレーザ光の光学的な一次走査を行った後、第ｎショット（本実施形態では第９ショット５０９）のレーザ照射を行い、上述した細い部分を融解させて再結晶化する。
【０１２５】
以上により、端部においても十分な幅（概ね０．２〜０．５μｍ程度）を有すると共に、干渉縞の周期と同じ６μｍ長さで結晶化された横方向成長結晶４２が得られる。
【０１２６】
ここまでを整理すると、第１ショット５０１の照射後に生成される横方向成長結晶４１の成長終端部分を種として、少なくとも前回のショットでの接合部Ｃ−Ｃ’を含む領域を融解領域ａとするレーザ光照射を複数回繰り返し、光パターンの一周期長さまで横方向成長を積み重ねることで、照射スポット内を光パターン（干渉縞）の周期と同等の長さの横方向成長結晶で埋め尽くすことが可能となる。
【０１２７】
以上のようにして、非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１内を結晶化し、２ｍｍ×２ｍｍの全領域を長さ６μｍの横方向成長結晶で埋めつくした後、位相シフト手段（１０５）への印加電圧を０Ｖに戻し、ステッピングモーター駆動のｘｙ移動ステージ１００の駆動により、基板Ｗを２ｍｍ程度移動して、レーザ照射装置によるレーザ光の照射領域を非晶質シリコン薄膜Ｌの第１領域Ｌ１に隣接する第２領域に移動させる、機械的な二次走査を行う。
【０１２８】
そして、この第２領域に対して、上述した９ショットのレーザ光照射を図１１（ａ）〜図１２（ｆ）を用いて説明したと同様に行い、第１領域Ｌ１に隣接する２ｍｍ×２ｍｍの第２領域を長さ６μｍの横方向成長結晶で埋めつくす。
【０１２９】
以降、ステージの駆動による機械的な二次走査と、位相シフト手段の駆動による電気光学的な一次走査とを繰り返し行い、非晶質シリコン薄膜Ｌの必要領域（例えば全面）に光パターンＨｐを照射し、長さ６μｍの横方向成長結晶で埋めつくす。
【０１３０】
以上のような処理方法により、非晶質シリコン薄膜Ｌの必要領域（例えば全面）が結晶化され、長さ６μｍの横方向成長結晶４２から成る多結晶シリコン薄膜を得ることができる。尚、９ショットの照射によって、２ｍｍ×２ｍｍの全領域を横方向結晶化するのに要する時間はＹＬＦレーザが１ｋＨｚ発振の場合、約９ｍｓ程度であり、機械的な二次走査時間を含めても結晶化処理速度は約４ｃｍ²／秒程度に達する。これは出力２０Ｗのレーザ光源を用いた結晶化装置としては十分に速い。
【０１３１】
しかも、得られた横方向成長結晶４２は、結晶長さが６μｍ程度もあるため、例えばチャネル長さ５μｍの薄膜トランジスタでは、チャネル内で電流方向と直交する平均粒界数が１個以下となり、電子移動度が３００ｃｍ²／Ｖ・ｓに達する高性能薄膜トランジスタを作製できる。
【０１３２】
本発明によるレーザ照射装置の特徴として、光パターンＨｐを光学的に移動させる一次走査を、電気光学的な位相シフトによって行っているため、本質的に振動を伴わないことが挙げられる。従って本実施形態のようにサブミクロンオーダーの融解領域のシフトを１ｋＨｚあるいはそれを上回るレーザ発振周波数に同期して繰り返すのに、特に好都合である。
【０１３３】
これに対して、マスクを用いて形成された同様の光パターンをステージ上において同様に移動させる場合には、ステージ１００の駆動による機械的な移動を行う必要があり、ステージ１００に高精度の駆動系を設けることが要求されるため、精度的に困難な上、一次走査後に、ステージ移動に伴う振動が収まるまでの待ち時間も必要であり、本質的に低スループット、高コストの装置となってしまう。
【０１３４】
半導体薄膜の処理方法（２）
次に、図８を用いて説明したレーザ照射装置を用いて非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）を結晶化する場合の処理方法の第２例を、図１３に基づいて説明する。
【０１３５】
先ず、上述した第１例で図１１および図１２を用いて説明したようにして、基板上の非晶質シリコン薄膜の全面に横方向成長結晶４２を形成する。
【０１３６】
図１３（ａ）は、このようにして横方向成長結晶４２を形成した後の半導体薄膜において、結晶粒界を顕在化させるためのエッチング（Seccoエッチング）した後に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結晶像の一部（干渉縞の２周期分）を拡大して模式的に示した図であり、図１２（ｆ）の状態を９０°回転させた図である。
【０１３７】
この図１３（ａ）に示すように、第１例の処理を終了した状態においては、干渉縞の周期（６μｍ）方向にわたる長尺状の横方向成長結晶４２が、その短手方向に配列形成された状態となっている。
【０１３８】
そこで、図１３（ｂ）に示すように、第１例での処理が終了した後、図８を用いて説明したレーザ光照射装置で生じる干渉縞の方向に対して、基板Ｗをその面内において９０°回転させる。そして、この状態において、上述した第１例と同様に、周期６μｍ、融解幅１．５μｍの光パターンＨｐを用いて、第１ショット５１１目の照射を行う。
【０１３９】
これにより、既に全面を覆っている横方向成長結晶４２を種結晶として、その成長方向と９０°をなす方向に結晶成長が進む。この際、第１ショット５１１目であっても、過冷却プロセスを伴わず、すなわち小粒径の多結晶群が生成されることがなく、融解部ａの融解端Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ’を起点として融解部ａの中央付近に向かって横方向成長する。
【０１４０】
そして、融解端Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ’のそれぞれから成長してきた結晶がぶつかりあったところ、すなわち融解幅方向のほぼ中央の接合部Ｃ−Ｃ’で横方向結晶成長が完了する。なお、第１ショット５１１の照射においては、レーザ照射装置の位相シフト手段（１０５）には、電圧が印加されていない状態であることとする。
【０１４１】
次に、図８に示したレーザ照射装置のパルス発振に同期させて、位相シフト手段（１０５）に１６２．５Ｖの電圧を印加し、第２の光束ｈ２に３９°の位相シフトを与える。
【０１４２】
これにより図１２（ｃ）に示すように、光パターン（干渉縞）をその配列方向（例えば第１ショット５１１目の融解端Ｂ−Ｂ’側）に移動させる。この際、マージンを見込んで、第１ショット５１１目の融解領域ａで横方向成長した横方向成長結晶４２が接合した接合部Ｃ−Ｃ’付近を含んで、第２ショット５１２のレーザ光が照射されるようにする。このため、第１ショット５１１〜第２ショット５１２に掛けては、溶融領域ａの幅の１／２（０．７５μｍ）よりも（０．１μｍ程度）小さいずれ幅（０．６５μ）で、レーザ光を光学的に一次走査させることになる。
【０１４３】
これにより、第２ショット５１２目の溶融領域ａにおける各融解端Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’側から、横方向成長結晶４２を種にして、過冷却プロセス無しで横方向成長が進められる。これにより、横方向成長結晶４２は、第１ショット５１１での成長分と合計して、（０．７５μｍ＋０．７５μｍ−０．１μｍ）＝約１．４μｍの長さに成長する。
【０１４４】
以下、第１ショット５１１〜第２ショット５１２と同様に、第３ショット５１３以降のレーザ照射を繰り返し行うことで、幅、長さともに６μｍの横方向成長結晶４２からなる多結晶シリコン結晶群が得られる。
【０１４５】
この実施形態によれば、ほぼ正方格子状に結晶粒界が存在するため、これと平行にチャネルを配置する通常のデバイスレイアウトを用いる限り、薄膜トランジスタの性能に異方性が生じることがない。この結果、以降に説明するように、この薄膜トランジスタを液晶表示パネルまたはＥＬ表示パネルの駆動回路に適用する場合、チャネルの向きを自由にレイアウトできるという効果を得ることができる。また、ほぼ６μｍ角のサイズの揃った多結晶薄膜なので、例えばチャネル長さ５μｍの薄膜トランジスタでは、チャネル内の平均粒界数が１個以下となり、電子移動度が４００ｃｍ²／Ｖ・ｓに達する高性能薄膜トランジスタを作製可能となる。
【０１４６】
尚、上述した第４実施形態の半導体薄膜の処理方法の第１例および第２例は、第１実施形態の半導体装置を用いた方法としても適用可能である。
【０１４７】
＜薄膜トランジスタの製造方法−１＞
次に、上述した半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第１例を説明する。ここでは第１例として、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの製造方法を、図１４に基づいて説明する。尚、ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで全く同様である。
【０１４８】
先ず、図１４（ａ）に示すように、ガラスなどからなる絶縁基板６００の上にＡｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｕまたはこれらの合金を３０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みで形成し、これをパターニングしてゲート電極６０１に加工する。
【０１４９】
次いで図１４（ｂ）に示す様に、ゲート電極６０１を覆う状態で、絶縁性基板６００上にゲート絶縁膜６０２を形成し、さらにこのゲート絶縁膜６０２上に非晶質シリコン薄膜６０３を形成する。尚、ゲート絶縁膜６０２は、例えば下層のゲート窒化膜（ＳｉＮ_X）と上層のゲート酸化膜（ＳｉＯ₂）の二層構造であることとする。
【０１５０】
これらの各膜の成膜は、第１実施形態（または第４実施形態）における半導体薄膜の処理方法で述べた方法によって、真空成膜室内の真空状態を維持したまま連続的に行われ、例えばプラズマＣＶＤ法によって、ゲート窒化膜を５０ｎｍの厚みで堆積成膜し、次いでゲート酸化膜を約１００〜２００ｎｍの厚みで堆積成膜してゲート絶縁膜６０２を形成した後、これに連続させて非晶質シリコン薄膜６０３を約３０〜８０ｎｍの厚みで堆積成膜する。尚、以上の成膜をプラズマＣＶＤ法にて行った場合、成膜終了後に４００〜４５０℃の温度で窒素雰囲気中において１時間程度加熱処理を行い、非晶質シリコン薄膜６０３に含有されていた水素を放出する。いわゆる脱水素アニールを行うこととする。
【０１５１】
以上のようにしてゲート絶縁膜６０２上に非晶質シリコン薄膜６０３を形成した後、この非晶質シリコン薄膜６０３に対して、上述した薄膜半導体基板の処理方法（例えば第１実施形態または第４実施形態の処理方法）を適用し、分割したレーザ光ｈ１，ｈ２を干渉させて発生した光パターンＨｐを照射することにより、非晶質シリコン薄膜６０３の結晶化を行い、多結晶シリコン薄膜６０３ａを形成する。
【０１５２】
続いて図１５（ｃ）に示す様に、薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈを制御する目的で、多結晶シリコン薄膜６０３ａに対してＶｔｈイオンインプランテーションを必要に応じて行うこととする。例えば、ここでは、Ｂ⁺イオン６０９を１０ｋｅＶの加速エネルギーでドーズ量５×１０¹¹〜４×１０¹²／ｃｍ² 程度でイオン注入する。
【０１５３】
続いて、前工程で結晶化された多結晶シリコン薄膜６０３ａ上に、ゲート電極６０１に整合させて絶縁性のストッパー膜６０５を形成する。この際、先ず、プラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂ 膜を約１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚みで形成する。ここでは例えば、シランガスＳｉＨ₄と酸素Ｏ₂をプラズマ分解してＳｉＯ₂膜を堆積する。次いで、このＳｉＯ₂膜を所定の形状にパターニングしてストッパー膜６０５に加工する。この場合、裏面露光技術を用いてゲート電極６０１と自己整合する様にストッパー膜６０５をパターニングしている。尚、ストッパー膜６０５の直下に位置する多結晶シリコン薄膜６０３ａの部分は、チャネル領域６１１として保護される。このチャネル領域６１１には、前述した様に、予めＶｔｈイオンインプランテーションによりＢ⁺イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。
【０１５４】
続いて、ストッパー膜６０５をマスクとして、イオンドーピングにより不純物（例えばＰ⁺イオン）を多結晶シリコン薄膜６０３ａに注入し、ＬＤＤ領域６１２を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１０¹²〜１×１０¹³／ｃｍ² であり、加速電圧は例えば１０ｋｅＶである。更にストッパー膜６０５及びその両側のＬＤＤ領域６１２を被覆する様にフォトレジスト（図示省略）をパターニング形成した後、これをマスクとして不純物（例えばＰ⁺イオン）を高濃度で多結晶シリコン薄膜６０３ａに注入し、ソース領域及びドレイン領域６１３を形成する。不純物注入には、例えばイオンドーピング（イオンシャワー）を用いることができる。これは質量分離を掛けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、例えば１×１０¹⁵／ｃｍ²程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース領域及びドレイン領域６１３を形成する。加速電圧は例えば１０ｋｅＶである。
【０１５５】
尚、ここでの図示は省略したが、同一の絶縁基板６００上に、Ｐチャネルの薄膜トランジスタを形成してＣＭＯＳ回路を構成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をＰ⁺イオンからＢ⁺イオンに切り換えドーズ量１×１０¹⁵／ｃｍ² 程度でイオンドーピングすればよい。この際、質量分離型のイオンインプランテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。
【０１５６】
以上の後、紫外線ランプを使ったＲＴＡ（急速熱アニール）により、多結晶シリコン薄膜６０３ａに注入された不純物の活性化を行う。この際、場合によっては、エキシマレーザを用いたレーザ活性化アニールを行っても良い。この後、多結晶シリコン薄膜６０３ａとゲート絶縁膜６０２の不要な部分を同時にパターニングし、薄膜トランジスタ６１５を形成すると共に、この薄膜トランジスタ６１５を素子領域毎に分離する。
【０１５７】
その後、図１５（ｄ）に示す様に、絶縁基板６００上の薄膜トランジスタ６１５を覆う状態で、プラズマＣＶＤによってＳｉＯ₂を約１００ｎｍ〜２００ｎｍ、ＳｉＮ_Xを約２００ｎｍ〜４００ｎｍの厚みで連続して成膜し、層間絶縁膜６１７とする。この段階で窒素ガスまたはフォーミングガス中または真空中雰囲気下で３５０℃〜４００℃程度の加熱処理を１時間行い、層間絶縁膜６１７に含まれる水素原子を多結晶シリコン薄膜６０３ａ中に拡散させる、いわゆる水素化アニールを行った。この後、層間絶縁膜６１７にコンタクトホールを開口し、Ｍｏ、Ａｌなどを１００ｎｍ〜１μｍの厚みでスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース領域及びドレイン領域６１３に接続された配線電極６１８を形成する。更に、感光性のアクリル樹脂などからなる平坦化層６２０を１〜３μｍ程度の厚みで塗布した後、フォトリソグラフィによりソース領域及びドレイン領域６１３に達するコンタクトホールを開口する。そして、平坦化層６２０の上に酸化インジウム錫（Ｉｎ₂Ｏ₃＋ＳｎＯ₂、以下ＩＴＯ）などからなる透明導電膜またはＡｇまたはＡｌなどからなる反射電極膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース領域及びドレイン領域６１３に接続された画素電極６２１を形成する。
【０１５８】
これにより作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタ６１５の移動度は、Ｎチャネル型で２５０〜３４０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐチャネル型で１２０〜１８０ｃｍ²／Ｖｓであり、従来に比べ２〜３倍以上と大幅に高移動度化が達成されている。
【０１５９】
＜薄膜トランジスタの形成方法−２＞
次に、上述した半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第２例を説明する。ここでは第２例として、トップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法を、図１６および図１７に基づいて説明する。尚、ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで全く同様である。
【０１６０】
まず図１６（ａ）に示す様に、絶縁基板８００の上にバッファ層８０１となる二層構造の下地膜をプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。一層目の下地膜はＳｉＮxからなり、その膜厚は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。また、二層目の下地膜はＳｉＯ₂からなり、その膜厚は同じく１００ｎｍ〜２００ｎｍである。このバッファ層８０１の上に非晶質シリコン薄膜８０２を約３０ｎｍ〜８０ｎｍの厚みでプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰ−ＣＶＤ法により成膜する。非晶質シリコン薄膜８０２の成膜にプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、膜中の水素を低減するために、窒素雰囲気中４００℃〜４５０℃で１時間程度のアニールを行う。ここで必要ならば、前述した様にＶｔｈイオンインプランテーションを行い、Ｂ⁺イオンを例えばドーズ量５×１０¹¹〜４×１０¹²／ｃｍ² 程度で非晶質シリコン薄膜８０２に注入する。この場合の加速電圧は１０ｋｅＶ程度である。
【０１６１】
次いで、この非晶質シリコン薄膜８０２に対して、上述した薄膜半導体基板の処理方法（例えば第１実施形態または第４実施形態の処理方法）を適用し、分割したレーザ光ｈ１，ｈ２を干渉させて発生した光パターンＨｐを照射することにより、非晶質シリコン薄膜８０２の結晶化を行い、多結晶シリコン薄膜８０２ａを形成する。
【０１６２】
続いて図１６（ｂ）に示す様に多結晶シリコン薄膜８０２ａをアイランド状にパターニングする。この上に、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、またはスパッタ法などでＳｉＯ₂を１０ｎｍ〜４００ｎｍ（ここでは例えば１００ｎｍ）成長させ、ゲート絶縁膜８０３を形成する。
【０１６３】
次いでゲート絶縁膜８０３の上にＡｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ドープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を１００ｎｍ〜８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極８０４に加工する。ゲート電極８０４の直下に位置する多結晶シリコン薄膜８０２ａの部分は、チャネル領域８１１として保護される。このチャネル領域８１１には、前述した様に、予めＶｔｈイオンインプランテーションによりＢ⁺イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。
【０１６４】
次いで質量分離を用いたイオン注入法によって、多結晶シリコン薄膜８０２ａにＰ⁺イオンを注入し、ＬＤＤ領域８１２を設ける。このイオン注入はゲート電極８０４をマスクとして多結晶シリコン薄膜８０２ａの全面に対して行う。ドーズ量は６×１０¹²〜５×１０¹³／ｃｍ²である。加速電圧は例えば９０ｋｅＶである。その後、ゲート電極８０４とその周囲を被覆する様にレジストパターン（図示省略）を形成し、Ｐ⁺イオン８０９を質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入し、ソース領域及びドレイン領域８１３を形成する。この場合のドーズ量は例えば１×１０¹⁵／ｃｍ²程度である。加速電圧は例えば９０ｋｅＶである。ドーピングガスには水素希釈の２０％ＰＨ₃ガスが用いられる。
【０１６５】
尚、ここでの図示は省略したが、同一の絶縁基板８００上に、Ｐチャネルの薄膜トランジスタを形成してＣＭＯＳ回路を構成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、ドーピングガスを５％〜２０％のＢ₂Ｈ₆／Ｈ₂ガス系に切り換え、ドーズ量１×１０¹⁵〜３×１０¹⁵／ｃｍ²程度、加速電圧は例えば９０ｋｅＶでイオン注入すればよい。尚、ソース領域及びドレイン領域８１３の形成は質量分離型のイオン注入装置を用いてもよい。
【０１６６】
この後、多結晶シリコン薄膜８０２ａに注入されたドーパントの活性化処理となる。この活性化処理はボトムゲート型の薄膜トランジスタの形成と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ（急速熱アニール）を用いることができる。しかる後、ゲート絶縁膜８０３とバッファ層８０１の不要な部分を同時にパターニングし、薄膜トランジスタ８１５を素子領域毎に分離する。
【０１６７】
その後、図１７（ｃ）に示す様に、絶縁基板８００上の薄膜トランジスタ８１５を覆う状態で、プラズマＣＶＤによってＳｉＯ₂を約１００ｎｍ〜２００ｎｍ、ＳｉＮ_Xを約２００ｎｍ〜４００ｎｍの厚みで連続して成膜し、層間絶縁膜８１７とした。この段階で窒素ガスまたはフォーミングガス中または真空中雰囲気下で３５０℃〜４００℃程度の加熱処理を１時間行い、層間絶縁膜８１７に含まれる水素原子を多結晶シリコン薄膜８０２ａ中に拡散させる、いわゆる水素化アニールを行った。この後、層間絶縁膜８１７およびゲート絶縁膜８０３にコンタクトホールを開口し、Ａｌ−Ｓｉなどをスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース領域及びドレイン領域８１３に接続された配線電極８１８を形成する。更に、感光性のアクリル樹脂などからなる平坦化層８２０を１〜３μｍ程度の厚みで塗布した後、フォトリソグラフィによりソース領域及びドレイン領域８１３に達するコンタクトホールを開口する。平坦化層８２０の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜またはＡｇまたはＡｌなどからなる反射電極膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース領域及びドレイン領域８１３に接続された画素電極８２１を形成する。
【０１６８】
このようにして作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタ８１５の移動度は、Ｎチャネル型で３１０〜４２０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐチャネル型で１５０〜２１０ｃｍ²／Ｖｓと従来に比し大きくなっている。
【０１６９】
＜表示装置＞
図１８は、上述のようにして形成したボトムゲート型薄膜トランジスタまたはトップゲート型薄膜トランジスタを用いて構成されたアクティブマトリクス反射型液晶表示パネル（表示装置）の表示部（画素部）の断面構造図である。
【０１７０】
この図に示す表示装置は、一対の絶縁基板９０１、９０２を直径２〜５μｍのスペーサ９０３を介して重ね合わせ、両者の間に電気光学物質９０４が保持されたパネル構造を有する。電気光学物質９０４としては、ねじれネマティック（ＴＮ）型液晶材料が広く用いられている。
【０１７１】
このうち下側の絶縁基板９０１上（電気光学物質９０４側）は、薄膜トランジスタ９０５、１〜２μｍの凹凸を有する樹脂層からなる光散乱層９０６、厚さ１００〜３００ｎｍの銀薄膜より成り薄膜トランジスタ９０５に接続された画素電極９０７、厚さ５０〜１５０ｎｍのポリイミド配向膜９０８を順次積層した構造となっている。そして特に、薄膜トランジスタ９０５が、上述した方法で得られたボトムゲート型薄膜トランジスタまたはトップゲート型薄膜トランジスタであることとする。
【０１７２】
一方、上側の絶縁基板９０２上（電気光学物質９０４側）は、スパッタ成膜したクロム薄膜をフォトリソグラフィーとウエットエッチングでパターンニングして形成された画素間遮光用のブラックマトリクス９０９と、ブラックマトリクス９０９間に設けられた赤、緑、青の各カラーフィルターパターン９１０、さらにはこれらを覆う厚さ１〜３μｍのオーバーコート層９１１、厚さ１００〜２００ｎｍのＩＴＯ共通電極９１２、および厚さ５０〜１５０ｎｍのポリイミド配向膜９１３を順次積層した構造となっている。
【０１７３】
このように構成された表示装置は、画素電極９０７のスイッチング素子となる薄膜トランジスタ９０５が、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度および特性均一性が高くなっている。その結果、表示均一性も改善され、通常の従来の多結晶化プロセスで作製した場合に、稀に発現することがある中間階調での表示斑や輝点が発生しなくなるという利点が得られる。
【０１７４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のレーザ照射装置によれば、レーザ光の干渉作用によって発生させたエネルギーの利用効率の高い光パターンを光学的に移動させて処理を行う装置において、電気光学的な位相シフトによって光パターンの光学的な移動を行うようにしたことで、光パターンの移動を高周波で行うことが可能になり、処理速度の高速化を図ることが可能になる。したがって、半導体薄膜をレーザ光を用いて処理する際の処理時間の短縮化を図ることが可能になる。さらに、高周波数でパルス発振されるレーザ光発生手段に同期させた高周波で位相をシフトさせることが可能になるため、例えばレーザダイオード励起のパルス発振固体レーザのように、励起光源の寿命が長いが繰り返しパルス発振周波数の高いレーザ光発生手段を用いることが可能になる。このため、上述した光パターンを光学的に移動させた処理を行うレーザ照射装置において、長期間の連続稼働が可能で信頼性の装置を構築することが可能になる。
【０１７５】
また本発明の半導体薄膜の処理方法によれば、分割された光束を干渉させることによって形成される光パターンを半導体薄膜に照射することで、粒径均一性に優れた大粒径の多結晶シリコンを得る際、この光パターンを光学的に移動させるために光束を位相シフトさせる場合に、電気光学的に光束を位相シフトさせる構成としたことで、光パターンの光学的な移動を高周波で行い、光パターンを高速で移動させた処理を行うことが可能になる。したがって、粒径均一性に優れた大粒径の多結晶シリコンを得るための半導体薄膜の処理時間を、より短縮化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のレーザ照射装置の構成図である。
【図２】第１実施形態の半導体薄膜の処理方法を説明する図である。
【図３】第１実施形態の半導体薄膜の処理方法を説明する平面図である。
【図４】シリコン結晶の横方向成長を説明する図である。
【図５】第２実施形態のレーザ照射装置の構成図である。
【図６】第３実施形態のレーザ照射装置の構成図である。
【図７】第３実施形態の半導体薄膜の処理方法を説明する図である。
【図８】第４実施形態のレーザ照射装置の構成図である。
【図９】第４実施形態の半導体薄膜の処理方法を説明する平面図である。
【図１０】シリコン結晶の横方向成長を説明する図である。
【図１１】第４実施形態の半導体薄膜の処理方法の第１例を説明する平面工程図（その１）である。
【図１２】第４実施形態の半導体薄膜の処理方法の第１例を説明する平面工程図（その２）である。
【図１３】第４実施形態の半導体薄膜の処理方法の第２例を説明する平面工程図である。
【図１４】本発明の半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第１例を説明する断面工程図(その１）である。
【図１５】本発明の半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第１例を説明する断面工程図(その２）である。
【図１６】本発明の半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第２例を説明する断面工程図(その１）である。
【図１７】本発明の半導体薄膜の処理方法を適用した薄膜トランジスタの製造方法の第２例を説明する断面工程図(その２）である。
【図１８】本発明の半導体薄膜の処理方法を適用して得られた薄膜トランジスタを用いて構成される表示装置の要部断面図である。
【図１９】従来のＳＬＳ法による半導体薄膜処理の概要を示す構成図である。
【図２０】レーザエネルギーと多結晶シリコンの平均粒径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…レーザダイオード励起ＹＡＧレーザ（レーザ光発生手段）、１０１’…レーザダイオード励起ＹＬＦレーザ（レーザ光発生手段）、１０５，３０７…位相シフト手段、６０３，８０２…非晶質シリコン薄膜（半導体薄膜）、Ｈ…レーザ光、ｈ１…第１の光束、ｈ２…第２の光束、ｈ３…第３の光束、Ｈｐ…光パターン、Ｌ…半導体薄膜（非晶質シリコン薄膜）

Claims (4)

1. レーザ光発生手段と、
   前記レーザ光発生手段から発生させたレーザ光を複数の光束に分割する分割手段と、
   前記分割手段で分割された複数の光束を干渉させて周期的な光パターンを形成する光干渉手段と、
   前記分割手段で分割された複数の光束の少なくとも一つを電気光学的に位相シフトさせることで前記パターンをその周期の範囲内で当該光パターンの配列方向に移動させる位相シフト手段が備えられた
   ことを特徴とするレーザ照射装置。
2. 請求項１記載のレーザ照射装置において、
   前記レーザ光発生手段は、レーザダイオード励起によるパルス発振レーザである
   ことを特徴とするレーザ照射装置。
3. 複数の光束に分割したレーザ光を互いに干渉させることによって生じさせた周期的な光パターンを半導体薄膜に照射し、これにより当該半導体薄膜を部分的に融解させた後、前記光パターンをその周期の範囲内で当該光パターンの配列方向に移動させる半導体薄膜の処理方法において、
   前記光パターンの移動は、前記光束の少なくとも１つを、光束を電気光学的に位相シフトさせる位相シフト手段に通過させることによってなされる
   ことを特徴とする半導体薄膜の処理方法。
4. 請求項３記載の半導体薄膜の処理方法において、
   前記レーザ光は、レーザダイオード励起によってパルス発振されたレーザ光である
   ことを特徴とする半導体薄膜の処理方法。

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