JP4860116B2 - 結晶性半導体膜の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置に関する。また該レーザ照射装置を用いたレーザ照射方法及び半導体装置の作製方法に関する。

多結晶半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（多結晶ＴＦＴ）は、非晶質半導体膜を用いたＴＦＴに比べて移動度が２桁以上高く、半導体表示装置の画素部とその周辺の駆動回路を同一基板上に一体形成できるという利点を有している。多結晶半導体膜は、レーザアニール法を用いることで、安価なガラス基板上に形成することができる。

レーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の２種類に大別される。エキシマレーザに代表されるパルス発振のレーザは、連続発振のレーザと比べて、単位時間あたりのレーザ光の出力エネルギーが３〜６桁程度高い。よって、ビームスポット（被処理物の表面において実際にレーザ光が照射される照射領域）を数ｃｍ角の矩形状や、長さ１００ｍｍ以上の線状となるように光学系にて成形し、半導体膜へのレーザ光の照射を効率的に行ない、スループットを高めることができる。そのため、半導体膜の結晶化には、パルス発振のレーザを用いるのが主流となりつつあった。

なお、ここでいう「線状」は、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形（もしくは長楕円形）を意味する。例えば、アスペクト比が２以上（好ましくは１０〜１００００）のものを線状と呼ぶが、線状が矩形状に含まれることに変わりはない。

しかし、このようにパルス発振のレーザ光を用いて結晶化された半導体膜は、複数の結晶粒が集合して形成されており、その結晶粒の位置と大きさはランダムなものである。結晶粒内と比較して、結晶粒の界面（結晶粒界）は非晶質構造や結晶欠陥などに起因する再結合中心や捕獲中心が無数に存在している。この捕獲中心にキャリアがトラップされると、結晶粒界のポテンシャルが上昇し、キャリアに対して障壁となるため、キャリアの電流輸送特性が低下するという問題がある。

上記問題が背景にあり、連続発振のレーザを一方向に走査させながら半導体膜に照射することで、走査方向に向かって結晶を連続的に成長させ、該走査方向に沿って長く延びた単結晶からなる結晶粒の集まりを形成する技術が、近年注目されている。上記方法を用いることで、少なくともＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない半導体膜が形成できると考えられている。

ところで、半導体膜に対するレーザ光の吸収係数が大きいほど、半導体膜の結晶化を効率良く行なうことができるので、吸収係数は大きい方が好ましい。吸収係数は半導体膜の材料によっても異なる。半導体装置に通常用いられる数十〜数百ｎｍ厚の珪素膜をＹＡＧレーザやＹＶＯ₄レーザで結晶化させる場合、基本波よりも波長が短い第２高調波の方が、吸収係数ははるかに高く、通常高調波を結晶化工程に適用し、基本波を用いることは殆どない。

しかし高調波に変換されたレーザ光は、基本波の場合に比べてエネルギーが低く、ビームスポットの面積を広げてスループットを高めることが難しい。特に連続発振のレーザは、パルス発振のレーザに比べて、単位時間あたりのレーザ光の出力エネルギーが低いため、この傾向が顕著である。例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、基本波（波長：１０６４ｎｍ）から第２高調波（波長：５３２ｎｍ）への変換効率は５０％前後である。また、高調波に変換する非線形光学素子のレーザ光に対する耐性が著しく低いため、例えば連続発振のＹＡＧレーザは、基本波を１０ｋＷ出力できるのに対し、第２高調波の出力エネルギーは１０Ｗ程度しか得られない。そのため、半導体膜の結晶化に必要なエネルギー密度を得るためにはビームスポットの面積を１０^-3ｍｍ²程度と小さくしなければならず、スループットの面でパルス発振のエキシマレーザと比べ劣っている。

また、走査方向に対して垂直方向におけるビームスポットの両端には、ビームスポットの中心と比較して結晶粒が著しく小さく、結晶性の劣っている領域が形成される。この領域に半導体素子を形成しても高い特性は期待できない。よって、半導体素子のレイアウト上の制約を緩和するために、レーザ光が照射された領域全体に占める、該結晶性の劣っている領域の割合を減らすことが重要である。

またビームスポットのエッジ近傍の微結晶が形成される領域は、その表面に半導体膜の膜厚と同程度の高さの凹凸（リッジ）が形成される。そのため、例えばＴＦＴの場合、活性層に接して形成されるゲート絶縁膜の膜厚を均一に形成するのが難しく、ゲート絶縁膜の薄膜化が困難になるため、ＴＦＴやその他の半導体素子の微細化が妨げられるという問題がある。

本発明は上述した問題に鑑み、ビームスポットの面積を飛躍的に広げ、結晶性の劣る領域の占める割合を低減し、リッジの形成を抑えることができるレーザ照射装置の提供を課題とする。また連続発振のレーザ光を用いつつ、スループットをも高めることができる、レーザ照射装置の提供を課題とする。さらに本発明は、該レーザ照射装置を用いたレーザ照射方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。

本発明のレーザ照射方法は、高調波のパルス発振の第１のレーザ光により溶融した領域に、連続発振の第２のレーザ光を照射する。具体的に第１のレーザ光は、可視光線と同程度かそれより短い波長（７８０ｎｍ以下程度）を有する。第１のレーザ光によって半導体膜が溶融することで、第２のレーザ光の半導体膜への吸収係数が飛躍的に高まり、第２のレーザ光が半導体膜に吸収されやすくなる。

図８（Ａ）に、レーザ光の波長（ｎｍ）に対する、非晶質珪素膜の吸収係数（ｃｍ^-1）の値を示す。また図８（Ｂ）に、レーザ光の波長（ｎｍ）に対する、多結晶珪素膜の吸収係数（ｃｍ^-1）の値を示す。なお、測定は分光エリプソメーターで得られる消衰係数から求めた。吸収係数が１×１０⁴ｃｍ^-1以上であれば、第１のレーザ光により半導体膜を十分溶融させることができるので、この数値範囲の吸収係数を得るためには、非晶質珪素膜の場合、第１のレーザ光の波長を７８０ｎｍ以下とするのが望ましいと考えられる。なお、第１のレーザ光の波長と吸収係数の関係は、半導体膜の材料および結晶性等などによって異なる。よって第１のレーザ光の波長はこれに限定されず、吸収係数が１×１０⁴ｃｍ^-1以上となるように適宜第１のレーザ光の波長を設定すれば良い。

また本発明のレーザ照射装置は、可視光線以下の波長である第１のレーザ光をパルス発振する第１のレーザ発振器と、基本波である第２のレーザ光を連続発振する第２のレーザ発振器を有している。第１のレーザ光のビームスポットと第２のレーザ光のビームスポットは、それぞれ対応する第１及び第２の光学系によって、その形状及び位置が制御される。そして第１のレーザ光と第２のレーザ光は、上記２つの光学系によってビームスポットが互いに重なっている。さらに本発明のレーザ照射装置は、第１のレーザ光のビームスポット及び第２のレーザ光のビームスポットの被処理物に対する相対的な位置を制御する手段を有している。

これにより、第１のレーザ光により溶融した部分が、連続発振である第２のレーザ光の照射により溶融状態が維持されたまま半導体膜中で移動するので、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。該走査方向に沿って長く延びた単結晶の粒を形成することで、少なくともＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない半導体膜の形成が可能となる。

溶融状態の維持できる時間はパルス発振のレーザと連続発振のレーザの出力のバランスにより決まる。溶融状態の維持できる時間内で、次のパルス発振のレーザが半導体膜に照射されれば、前記溶融状態は保持されたまま半導体膜のアニールを続けることができる。極端な場合、一旦パルスレーザで半導体膜を溶融させれば、その後は、基本波の照射のみで、溶融状態が維持できる条件もあり得る。この場合、パルスレーザは１ショットのみ照射し、その後は連続発振のレーザで溶融状態を維持させればよい。

なお高次の高調波ほどエネルギーが低くなるため、第１のレーザ光は、その基本波の波長が１μｍ程度である場合、第２高調波が最も望ましい。しかし本発明はこれに限定されず、第１のレーザ光は可視光線以下の波長を有していれば良い。また第２のレーザ光は、第１のレーザ光に対するエネルギーの補助という目的からして、半導体膜への吸収係数よりも出力されるパワーが重要視される。よって、第２のレーザ光は基本波を用いるのが最も望ましい。しかし本発明はこれに限定されず、第２のレーザ光は基本波であっても高調波であってもよい。

第２のレーザ光に基本波を用いる場合、波長を変換する必要がないので、非線形光学素子の劣化を考慮してエネルギーを抑えなくともよい。例えば第２のレーザ光は、連続発振の可視光線以下のレーザ光と比較して出力が１００倍以上（例えば出力１０００W以上）の出力とすることも可能である。よって非線形光学素子のメンテナンスの煩雑さをなくし、半導体膜に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーを高めることができ、より大粒径の結晶を得ることができる。

なお、パルス発振の第１のレーザ光によって得られる第１のビームスポットと、連続発振の第２のレーザ光によって得られる第２のビームスポットとの重ね合わせ方は、そのビームスポットの大小関係に注目すると、２通り考えられる。まず第１のビームスポット内に第２のビームスポットが収まるように重ねる場合について説明する。

パルス発振は連続発振に比べて、発振されるレーザ光の単位時間あたりのエネルギーが高い。また高調波と基本波では、高調波の方がエネルギーは低く、基本波の方がエネルギーは高い。本発明では、高調波または可視光線以下の波長を有するレーザ光はパルス発振とし、基本波のレーザ光は連続発振とする。そして、高調波の第１のビームスポット内に基本波の第２のビームスポットが収まるように重ねることで、高調波と基本波を共に連続発振とする構成や、高調波を連続発振とし基本波をパルス発振とする構成に比べて、高調波と基本波のビームスポットが互いに重なり合う領域の広さを確保することができる。

例えば、連続発振のＹＡＧレーザとパルス発振のエキシマレーザを例に挙げて、２つのレーザによって形成される２つのビームスポットの重なりについて説明する。

図２（Ａ）に、基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、第２高調波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１１を重ねている様子を示す。基本波のＹＡＧレーザは１０ｋＷ程度の出力エネルギーを得ることができ、また、第２高調波のＹＡＧレーザは、１０Ｗ程度の出力エネルギーを得ることができる。

そして、レーザ光のエネルギーは１００％半導体膜に吸収されるものと仮定すると、各レーザ光のエネルギー密度を０．０１〜１００ＭＷ／ｃｍ²とすることで、半導体膜の結晶性の向上を図ることができる。よってここでは、エネルギー密度を１ＭＷ／ｃｍ²とする。

そして基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０の形状を矩形と仮定し、その短軸方向の長さをＬ_X1、長軸方向の長さをＬ_Y1とすると、上記エネルギー密度を満たすためには、Ｌ_X1は２０μm〜１００μmとし、例えばＬ_X1＝２０μmの場合だとＬ_Y1＝５０ｍｍ程度、Ｌ_X1＝３０μmの場合だとＬ_Y1＝３０ｍｍ程度とするのが適当である。

また高調波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１１の形状を矩形と仮定し、その短軸方向の長さをＬ_X2、長軸方向の長さをＬ_Y2とすると、上記エネルギー密度を満たすためには、Ｌ_X2は２０μm〜１００μmとし、例えばＬ_X2＝１０μmの場合だとＬ_Y2＝１００μｍ程度とするのが適当である。

基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、第２高調波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１１とが重なる領域の面積は、ビームスポット１１が完全にビームスポット１０に重なっていると仮定すると、ビームスポット１１の面積に相当する。

次に、図２（Ｂ）に、基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、パルス発振のエキシマレーザのビームスポット１２を重ねている様子を示す。パルス発振のエキシマレーザは、１パルスあたり１Ｊ程度の出力エネルギーを得ることができる。また、パルス幅を３０nsec程度とすると、単位時間あたりの出力は３０ＭＷとなる。よって、パルス発振のエキシマレーザのビームスポット１２の形状を矩形と仮定し、その短軸方向の長さをＬ_X3、長軸方向の長さをＬ_Y3とすると、上記エネルギー密度を満たすためには、Ｌ_X3は２０μm〜５００μmとし、例えばＬ_X3＝４００μmの場合だとＬ_Y3＝３００ｍｍ程度とするのが適当である。

なお、各ビームスポットは、エネルギー密度や走査速度等の各種条件の最適化によっては、その長軸を１５ｃｍや３０ｃｍ程度まで長くすることができる。

基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、パルス発振のエキシマレーザのビームスポット１２とが重なる領域の面積は、ビームスポット１０が完全にビームスポット１２に重なっていると仮定すると、ビームスポット１０の面積に相当する。よって、図２（Ａ）のように第１のレーザ光と第２のレーザ光を共に連続発振とするよりも、図２（Ｂ）のように第１のレーザ光を連続発振、第２のレーザ光をパルス発振としたほうが、２つのレーザ光の重なる領域を大幅に広げることが可能であり、スループットをより高めることができる。

次に、連続発振で出力された基本波の第２のビームスポット内に、パルス発振で出力された高調波の第１のビームスポットが収まるように重ね合わせる場合について説明する。

図１（Ａ）に、第１のビームスポット９０１の形状と、該第１のビームスポット９０１のみの走査により結晶化された半導体膜９０２の上面図と、第１のビームスポット９０１の長軸方向において、半導体膜９０２に吸収されるレーザ光のエネルギーの分布とを示す。なお半導体膜の結晶化は、白抜きの矢印で示すように、第１のビームスポット９０１を長軸方向に対して垂直の方向に走査することで行なう。

図１（Ａ）では第１のビームスポット９０１は矩形状であり、中心付近のある一定の範囲においてそのエネルギーが一定の高さに保たれているが、例えば第１のビームスポットの形状が楕円形状の場合は、エネルギー分布が正規曲線を描いている。いずれにしろ、第１のビームスポット９０１のエネルギー分布は、通常エッジから中心に近くなるほど高くなっている。そして、第１のビームスポット９０１のうち、半導体膜を溶融するのに必要なエネルギーＥ_Aよりも高いエネルギーを有する領域と重なった部分において、半導体膜９０２が結晶化されている。

そして図１（Ａ）に示すように、第１のビームスポット９０１のみによって結晶化された半導体膜９０２は、複数の結晶粒が集合して形成されている。その結晶粒の位置と大きさはランダムであるが、第１のビームスポット９０１の中心に近くなるほどエネルギーが高い（具体的にはエネルギーＥ_Bより高い）ので、該中心付近の領域９０３では半導体膜が完全に溶融し、粒径約１μｍ程度の結晶粒が得られる傾向にある。逆に、エッジ近傍のエネルギーの低い領域９０４（ここではエネルギーＥ_B以下の領域）においては、部分的に溶融しきれない領域が残ることで、中心付近の領域９０３ほど粒径の大きい結晶粒は得られず、粒径の比較的小さい結晶粒（微結晶）のみが形成される傾向にある。なおエネルギーＥ_Bの高さはエネルギーＥ_Aよりも高く、第１のビームスポット９０１内の最も高いエネルギーＥ_Cよりも低い。

エッジ近傍の微結晶が形成される領域９０４は、粒界の欠陥に起因する再結合中心や捕獲中心によってキャリアの電流輸送特性が低く、半導体素子として用いるのに適さない。よって、微結晶が形成される領域９０４は狭い方が、半導体素子のレイアウトの制約を緩和することができるので望ましい。しかし第１のビームスポット９０１内には、エネルギーがＥ_Aより高くＥ_Bより低い領域が存在しているため、光学系の調整のみで微結晶が形成される領域９０４を小さくするのには限界がある。

次に図１（Ｂ）に、第１のビームスポット９０１及び第２のビームスポット９１１の形状と、第１及び第２のビームスポット９０１、９１１を両方走査することにより結晶化された半導体膜９１２の上面図と、第１及び第２のビームスポット９０１、９１１の長軸方向において、半導体膜９１２に吸収されるレーザ光のエネルギーの分布とを示す。なお半導体膜９１２の結晶化は、白抜きの矢印で示すように、第１及び第２のビームスポット９０１、９１１を長軸方向に対して垂直の方向に走査することで行なう。

図１（Ｂ）では、第２のビームスポット９１１が第１のビームスポット９０１を完全に覆うように重なっている。波長が１μｍ程度の基本波は固相の半導体膜に殆ど吸収されないが、液相の半導体膜に対する吸収係数は固相の１０００倍であり、吸収されやすい。よって図１（Ｂ）の場合、第１のビームスポット９０１のうち、半導体膜を溶融するのに必要なエネルギーＥ_Aよりも高いエネルギーの領域においてのみ、基本波である第２のレーザ光のエネルギーが半導体膜に吸収される。このため図１（Ｂ）において実線で示すように、半導体膜９１２に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーは、第１のレーザ光のエネルギーがＥ_Aよりも高い領域において、不連続的に他の領域より高くなる。

また第２のレーザ光は連続発振であるので、第１のレーザ光により溶融した部分が、連続発振である第２のレーザ光の照射により、その溶融状態を維持したまま半導体膜中で移動するので、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。従って、半導体膜９１２のうち、第１のビームスポット９０１の不連続的にエネルギーの高い領域があたった部分に、大粒径の結晶粒を含む領域（大結晶領域）９１３を形成することができる。具体的には、含まれる結晶粒の走査方向における幅が１０〜３０μm、走査方向に対して垂直な方向における幅が１〜５μm程度の、大結晶領域９１３を形成することができる。

なお図１（Ｂ）の場合も図１（Ａ）の場合と同様に、そのエッジ近傍に、大粒径の結晶粒を含まず微結晶のみを含む領域９１４が形成される。この領域は、レーザ照射時における領域９１３からの熱伝導によって形成されるため完全に消滅させることはできないが、レーザ光の照射条件を適切に選択することで、領域９１４を限りなく狭くすることができる。よって図１（Ａ）の場合に比べ、大粒径の領域９１３の割合を高め、半導体素子のレイアウト上の制約を緩和することができる。

また、図１（Ａ）におけるエッジ近傍の微結晶が形成される領域９０４は、その表面に半導体膜の膜厚と同程度の高さの凹凸（リッジ）が形成される。本実施例ではエッジ近傍の微結晶が形成される領域を限りなく狭くすることができ、またリッジの高さを膜厚の半分以下、より最適な条件下では４分の１以下とすることができる。例えば、半導体膜の膜厚が１００ｎｍの場合、リッジの高さを５０ｎｍ以下、より最適な条件下では２０ｎｍ以下程度とすることができ、より優れた特性の半導体素子を作製することができる。

また、パルス発振のレーザ光のみで結晶化を行なった場合には、結晶の粒界において、酸素、窒素、炭素等の不純物が偏析する傾向がある。レーザ光を用いた結晶化と触媒金属を用いた結晶化とを組み合わせた場合は、ゲッタリングしきれなかった触媒金属が偏析することがある。本発明では、第２のレーザ光により半導体膜に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーを高めることができるので、半導体膜が溶融してから固化するまでの時間を長く保つことができる。よって帯域溶融法のごとく、偏析係数が正の不純物の偏析を防ぎ、半導体膜の純化や溶質濃度の一様化を行なうことができる。したがって、該半導体膜を用いた半導体素子の特性を高め、また特性のバラツキを抑えることができる。

上述したように、第１のビームスポットと第２のビームスポットの大小関係によって、得られる効果が異なる。最も望ましいのは、第２のビームスポットの形状に合わせ、第１のビームスポットを第２のビームスポット内にぎりぎり収まる程度に最大限に大きくし、究極的には２つのビームスポットを完全に重ね合わせることである。これにより、両者のメリットを享受することができる。

また、連続発振の第２のビームスポットを複数連ね、それをパルス発振の第１のレーザ光と重ねることで、大粒径の結晶が得られる領域の、走査方向に対して垂直な方向における幅をさらに広げることができる。またパルス発振の第１のビームスポットを連ねるようにしても良い。上記構成により、半導体素子のレイアウト上の制約をより緩和することができ、なおかつレーザ光の結晶化におけるスループットをより高めることができる。

なおビームスポットを線状とすることで、走査方向に結晶化された結晶粒が集まっている領域の、前記ビームスポットの長軸方向における幅を、できるだけ広くとることができる。つまり、長軸の両端に形成される結晶性の劣った領域の、全ビームスポットに占める面積の割合を、低減させることができると言える。しかし本発明においてビームスポットの形状は線状に限定されず、矩形状や面状であっても被照射体に対して十分なアニールを行なえるのであれば問題はない。

なお第１のレーザ光は、パルス発振のArレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ₂レーザ、YAGレーザ、Y₂O₃レーザ、YVO₄レーザ、YLFレーザ、YAlO₃レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザを用いることで得られる。

また第２のレーザ光は、連続発振のArレーザ、Krレーザ、ＣＯ₂レーザ、YAGレーザ、Y₂O₃レーザ、YVO₄レーザ、YLFレーザ、YAlO₃レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザまたはヘリウムカドミウムレーザを用いることで得られる。

なお連続発振のレーザによる半導体膜の結晶化工程において、ビームスポットを一方向に長い楕円状または矩形状に加工し、該ビームスポットの短軸方向に走査させて半導体膜を結晶化させるとスループットを高めることができる。加工後のレーザビームの形状が楕円状になるのは、元のレーザ光の形状が円形もしくはそれに近い形状であるからである。レーザ光の元の形状が長方形状であれば、それをシリンドリカルレンズなどで１方向に拡大することでさらに長軸がさらに長くなるように加工してから、用いても良い。また複数のレーザビームをそれぞれ一方向に長い楕円状または矩形状に加工し、それらをつなげて一方向にさらに長いビームを作って、スループットをより高めるようにしても良い。

本発明では、半導体膜に吸収されやすい可視光線以下の波長を有する、パルス発振の第１のレーザ光を照射することで半導体膜を溶融し、基本波の吸収係数を高める。第１のレーザ光をパルス発振とすることで、連続発振のときよりもビームスポットの面積を飛躍的に広く取ることができる。そしてその溶融した状態で基本波を有する第２のレーザ光を照射することで、基本波の吸収係数が高められた半導体膜に第２のレーザ光が効率良く吸収される。よって、ビームスポットの長軸を長く取ることができるため、レーザ結晶化のスループットを高めることができ、またデザインルールの緩和に有効である。

また第１のレーザ光によって溶融し、吸収係数が高められた領域を、第２のレーザ光を走査することで移動させることができ、該走査方向に結晶成長した結晶粒が敷き詰められた領域を形成することができる。さらに、第１のレーザ光の照射が途絶えた後も、その溶融して吸収係数が高められた領域を、第２のレーザ光の走査によりある程度一方向に移動させることができる。

また第２のレーザ光を基本波とすることで、高調波への変換に用いる非線形光学素子の耐性を考慮する必要はなく、第２のレーザ光として、非常に大出力のレーザ、例えば高調波の１００倍以上のエネルギーのものを用いることができる。そして、非線形光学素子の変質によるメンテナンスの煩雑さがなくなる。特に、メンテフリーの状態を長く保てるという固体レーザの利点を、生かすことができる。

また第１のビームスポットと、第２のビームスポットとの走査方向を揃え、第１のビームスポットが第２のビームスポット内に収まるようにすることで、課題を解決するための手段において説明したように、ビームスポットのエッジ近傍における微結晶領域を、激減させるかもしくは消滅させることができる。

（実施の形態１）
図３を用いて、本発明のレーザ照射装置の構成について説明する。

１０１はパルス発振のレーザ発振器であり、本実施の形態では、６ＷのNd:YLFレーザを用いる。レーザ発振器１０１は、ＴＥＭ₀₀の発振モードで、非線形光学素子により第２高調波に変換されている。特に第２高調波に限定する必要はないがエネルギー効率の点で、第２高調波の方が、さらに高次の高調波と比較して優れている。周波数は１ｋＨｚ、パルス幅は６０nsec程度である。本実施の形態では、出力が６Ｗ程度の固体レーザを使用するが、出力が３００Ｗに達するような大型レーザ、例えばXeCl、KrF、ArFエキシマレーザなどを用いてもよい。例えばＸｅＣｌエキシマレーザだと波長は３０８ｎｍ、ＫｒＦエキシマレーザだと波長２４８ｎｍとなる。

なお非線形光学素子は、発振器が有する共振器内に設けていても良いし、基本波の共振器の外に別途非線形光学素子を備えた共振器を設けていても良い。前者は装置が小型になり、共振器長の精密制御が不要になるという利点を有し、後者は基本波と高調波の相互作用を無視できるという利点を有する。

非線形光学素子には、非線形光学定数の比較的大きいＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）、ＧｄＹＣＯＢ（ＹＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃）、ＫＤＰ（ＫＤ₂ＰＯ₄）、ＫＢ５、ＬｉＮｂＯ₃、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅等の結晶が用いられており、特にＬＢＯやＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＴＰ、ＫＢ５、ＣＬＢＯ等を用いることで基本波から高調波への変換効率を高めることができる。

レーザ光は通常水平方向に射出されることから、レーザ発振器１０１から発振された第１のレーザ光は、反射ミラー１０２にて、鉛直方向からの角度（入射角）がθ１となる方向に、その進行方向が変換される。本実施の形態では、θ１＝２１°とする。進行方向が変換された第１のレーザ光は、レンズ１０３によりそのビームスポットの形状が加工され、被処理物１０４に照射される。図３では、反射ミラー１０２とレンズ１０３とが第１のレーザ光のビームスポットの形状及び位置を制御する光学系に相当する。

図３では、レンズ１０３として平凹シリンドリカルレンズ１０３ａと、平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂを用いている。

平凹シリンドリカルレンズ１０３ａは、曲率半径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、第１のレーザ光の進行方向を光軸としたときに、被処理物１０４の表面から光軸に沿って２９ｍｍの位置に配置されている。そして平凹シリンドリカルレンズ１０３ａの母線と被処理物１０４に入射する第１のレーザ光の入射面とを垂直とする。

平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂは、曲率半径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、被処理物１０４の表面から光軸に沿って２４ｍｍの位置に配置されている。そして平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂの母線は、被処理物１０４に入射する第１のレーザ光の入射面と平行とする。

これにより、被処理物１０４において３ｍｍ×０.２ｍｍのサイズの第１のビームスポット１０６が形成される。

また１１０は、連続発振のレーザ発振器であり、本実施の形態では２ｋＷ、基本波（波長１０６４ｎｍ）のNd:YAGレーザを用いる。レーザ発振器１１０から発振された第２のレーザ光は、φ３００μｍの光ファイバー１１１により伝送される。光ファイバー１１１は、鉛直方向に対する射出口の向きが角度θ２となるように配置されている。本実施の形態ではθ２＝４５°とする。また光ファイバー１１１の射出口は、レーザ発振器１１０から射出する第２のレーザ光の光軸に沿って被処理物１０４から１０５ｍｍの位置に配置されており、該光軸は入射面に含まれるようにする。

光ファイバー１１１から出射した第２のレーザ光は、レンズ１１２によりそのビームスポットの形状が加工され、被処理物１０４に照射される。図３では、光ファイバー１１１とレンズ１１２とが第２のレーザ光のビームスポットの形状及び位置を制御する光学系に相当する。

図３では、レンズ１１２として平凸シリンドリカルレンズ１１２ａと、平凸シリンドリカルレンズ１１２ｂを用いている。

平凸シリンドリカルレンズ１１２ａは、曲率半径１５ｍｍ、厚さ４ｍｍであり、被処理物１０４の表面から第２のレーザ光の光軸に沿って８５ｍｍの位置に配置されている。平凸シリンドリカルレンズ１１２ａの母線の方向は入射面と垂直とする。

平凸シリンドリカルレンズ１１２ｂは、曲率半径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、被処理物１０４の表面から第２のレーザ光の光軸に沿って２５ｍｍの位置に配置されている。

これにより、被処理物１０４において、３ｍｍ×０.１ｍｍのサイズの第２のビームスポット１０５が形成される。

本実施の形態では、被処理物１０４として半導体膜が成膜された基板を、水平面と平行になるように設置する。半導体膜は例えば、ガラス基板の表面に成膜する。半導体膜が成膜された基板は、厚さ０.７ｍｍのガラス基板であり、レーザ照射の際に基板が落ちないように、吸着ステージ１０７に固定されている。

吸着ステージ１０７は、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８とＹ軸用の一軸ロボット１０９により、被処理物１０４に平行な面内においてＸＹ方向に移動が可能である。

なお、レーザ光に対して透光性を持つ基板上に成膜された半導体膜をアニールする場合、均一なレーザ光の照射を実現するためには、照射面に垂直な平面であって、かつビームの形状を長方形と見立てたときの短辺を含む面または長辺を含む面のいずれか一方を入射面と定義すると、前記レーザ光の入射角φは、入射面に含まれる前記短辺または前記長辺の長さがＷ、前記照射面に設置され、かつ、前記レーザ光に対して透光性を有する基板の厚さがｄであるとき、φ≧arctan（W/2d）を満たすのが望ましい。複数のレーザ光を使用する場合、この議論は個々のレーザ光について成り立つ必要がある。なお、レーザ光の軌跡が、前記入射面上にないときは、該軌跡を該入射面に射影したときの入射角度をφとする。この入射角度φでレーザ光が入射されれば、基板の表面での反射光と、前記基板の裏面からの反射光とが干渉せず、一様なレーザ光の照射を行なうことができる。以上の議論は、基板の屈折率を１として考えた。実際は、基板の屈折率が１．５前後のものが多く、この数値を考慮に入れると上記議論で算出した角度よりも大きな計算値が得られる。しかしながら、ビームスポットのエネルギーはビームスポットの端に近づくに従い減衰があるため、この部分での干渉の影響は少なく、上記の算出値で十分に干渉減衰の効果が得られる。この議論は、第１のレーザ光に対しても、第２のレーザ光に対しても成り立ち両方とも上記不等式を満たしているほうが好ましいが、エキシマレーザのように極端にコヒーレント長の短いレーザに関しては、上記不等式を満たさなくても問題はない。上記のφに対する不等式は、基板がレーザ光に対して透光性を有する場合にのみ適用される。

一般に、ガラス基板は波長が１μｍ程度の基本波や緑色の第２高調波に対して透光性を有する。本レンズが不等式を満たすためには、平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂと平凸シリンドリカルレンズ１１２ｂの位置を入射面と垂直な方向にずらしてビームスポットの短軸を含む被処理物１０４の表面に垂直な面内において入射角度φ１、φ２を持たせればよい。この場合、第１のビームスポット１０６においては、φ１＝１０°、第２のビームスポット１０５においてはφ２＝５°程度の傾きがあれば、干渉は起こらない。

なお第１のレーザ光と第２のレーザ光は、安定形共振器から得られるＴＥＭ₀₀モード（シングルモード）であることが望ましい。ＴＥＭ₀₀モードの場合、レーザ光はガウス形の強度分布を持ち、集光性に優れているため、ビームスポットの加工が容易となる。

被処理物１０４として半導体膜が成膜された基板を用いる場合、例えば、厚さ０.７ｍｍのガラス基板の片面に、厚さ２００ｎｍの酸化窒化珪素を成膜し、その上に半導体膜として、厚さ７０ｎｍの非晶質珪素（a-Si）膜をプラズマCVD法を用いて成膜する。さらに半導体膜のレーザに対する耐性を高めるために、５００℃、１時間の熱アニールを該非晶質珪素膜に対して行なう。熱アニールの他に、触媒金属を用いた結晶化を施していてもよい。熱アニールを施した半導体膜でも、触媒金属を用いて結晶化された半導体膜でも、最適なレーザ光の照射条件はほぼ同様である。

そして、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９を用いて第２のビームスポット１０５の短軸方向に、被処理物１０４（半導体膜が成膜された基板）を走査する。このとき各レーザ発振器１０１、１１０の出力は仕様値とする。この被処理物１０４の走査により、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５が、被処理物１０４の表面に対して相対的に走査されることになる。

第１のビームスポット１０６が当たっている領域において半導体膜が溶融することで、連続発振の第２のレーザ光の半導体膜への吸収係数が飛躍的に高まる。よって、走査方向に延びた、第２のビームスポット１０５の長軸に相当する幅１ｍｍ〜２ｍｍの領域に、該走査方向に結晶成長した単結晶の結晶粒が敷き詰められた状態で形成される。

なお半導体膜のうち、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５が重なって照射される領域は、第２高調波の第１のレーザ光によって吸収係数が高められた状態が、基本波である第２のレーザ光によって維持されていることになる。よって、たとえ第２高調波の第１のレーザ光の照射が途絶えたとしても、その後基本波である第２のレーザ光によって、半導体膜が溶融して吸収係数が高められた状態が維持される。したがって、第２高調波の第１のレーザ光の照射が途絶えた後も、その溶融して吸収係数が高められた領域を、走査によりある程度一方向に移動させることができ、これにより走査方向に向かって成長した結晶粒が形成されることとなる。そして、吸収係数が高められた領域を、走査の過程において連続して維持しつづけるために、第２高調波の第１のレーザ光を再び照射し、エネルギーを補充するのが望ましい。

なお第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５の走査速度は、数ｃｍ/ｓ〜数百ｃｍ/ｓ程度が適当であり、ここでは５０ｃｍ/ｓとする。

次に図４に、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５の、被処理物１０４表面における走査経路を示す。被処理物１０４である半導体膜全面に第２のレーザ光を照射する場合、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９を用いて一方向への走査を行なった後、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８を用いて、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９による走査方向に対して垂直の方向に、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５をスライドさせる。

例えば、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９により走査速度５０ｃｍ/ｓにて、半導体膜を一方向に走査する。図４において、該走査経路をＡ１で示す。次に、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８を用いて、走査経路をＡ１に対して垂直の方向に第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５をスライドさせる。該スライドによる走査経路をＢ１で示す。次に、走査経路Ａ１とは反対方向に向かって、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９により半導体膜を一方向に走査する。該走査経路をＡ２で示す。次に、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８を用いて、走査経路をＡ２に対して垂直の方向に第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５をスライドさせる。該スライドによる走査経路をＢ２で示す。このように、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９による走査とＸ軸用の一軸ロボット１０８による走査とを順に繰り返すことで、被処理物１０４全面に第２のレーザ光または第１のレーザ光を照射することができる。

なお、走査経路Ｂ１、Ｂ２…の長さは、第２のビームスポット１０５の長軸に相当する幅１〜２ｍｍ分とするのが望ましい。

第２のレーザ光が照射され、走査方向に成長した結晶粒が形成されている領域は、結晶性に非常に優れている。そのため、該領域をＴＦＴのチャネル形成領域に用いることで、極めて高い移動度や、オン電流を期待できる。しかし半導体膜のうち、そのような高い結晶性が必要とされない部分が存在する場合、該部分にはレーザ光を照射しないようにしても良い。もしくは、走査の速度を増加させるなど、高い結晶性が得られないような条件でレーザ光の照射を行なうようにしても良い。

なおレーザ光の走査は、被処理物である基板を固定してレーザ光の照射位置を移動させる照射系移動型と、レーザ光の照射位置を固定して基板を移動させる被処理物移動型と、上記２つの方法を組み合わせた方法とがある。本発明のレーザ照射装置は、第１のレーザ光と第２のレーザ光の少なくとも２つのレーザ光を用いるので、光学系の構成が最も単純にすることができる被処理物移動型とするのが適している。しかし本発明のレーザ照射装置はこれに限定されず、光学系を工夫することで、照射系移動型としたり、被処理物移動型と照射系移動型を組み合わせたりすることも不可能ではない。いずれの場合においても、各ビームスポットの半導体膜に対する相対的な移動方向を制御できることが前提である。

なお本発明のレーザ照射装置における、光学系は、本実施の形態で示した構成に限定されない。

（実施の形態２）
次に図９を用いて、本発明のレーザ光の照射方法及び半導体装置の作製方法について説明する。

まず図９（Ａ）に示すように、基板５００上に下地膜５０１を成膜する。基板５００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ＳＵＳ基板等を用いることができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮに代表されるプラスチックや、アクリル等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。

下地膜５０１は基板５００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。よってアルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜への拡散を抑えることができる酸化珪素や、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０ｎｍ〜４００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍ）の膜厚になるように成膜した。

なお下地膜５０１は単層であっても複数の絶縁膜を積層したものであっても良い。またガラス基板、ＳＵＳ基板またはプラスチック基板のように、アルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合は、必ずしも設ける必要はない。

次に下地膜５０１上に半導体膜５０２を形成する。半導体膜５０２の膜厚は２５ｎｍ〜１００ｎｍ（好ましくは３０ｎｍ〜６０ｎｍ）とする。なお半導体膜５０２は、非晶質半導体であっても良いし、多結晶半導体であっても良い。また半導体は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムも用いることができる。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１atomic％〜４．５atomic％程度であることが好ましい。

次に図９（Ｂ）に示すように、本発明のレーザ照射装置を用いて半導体膜５０２に第１及び第２のレーザ光を照射し、結晶化を行なう。

本実施の形態では第１のレーザ光として、エネルギー６Ｗ、１パルスのエネルギー６ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ₀₀の発振モード、第２高調波（５２７ｎｍ）、発振周波数１ｋＨｚ、パルス幅６０nsecのＹＬＦレーザを用いる。なお、第１のレーザ光を光学系により加工することで半導体膜５０２の表面に形成される第１のビームスポットは、短軸２００μm、長軸３ｍｍの矩形状とし、エネルギー密度を１０００ｍJ／ｃｍ²とする。

また本実施の形態では、第２のレーザ光としてエネルギー２ｋＷ、基本波（１．０６４μm）のＹＡＧレーザを用いる。なお、第２のレーザ光が発振されるレーザ発振器の出力は、５００Ｗ乃至５０００Ｗであることが望ましい。第２のレーザ光を光学系により加工することで半導体膜５０２の表面に形成される第２のビームスポットは、短軸１００μm、長軸３ｍｍの矩形状とし、エネルギー密度を０．７ＭＷ／ｃｍ²とする。

そして、半導体膜５０２の表面において、第１のビームスポットと第２のビームスポットを重ね合わせるように照射し、上記２つのビームを図９（Ｂ）に示した白抜きの矢印の方向に向かって走査する。第１のレーザ光により溶融することで、基本波の吸収係数が高められ、第２のレーザ光のエネルギーが半導体膜に吸収されやすくなる。そして連続発振である第２のレーザ光の照射により溶融した領域が半導体膜中で移動するので、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。該走査方向に沿って長く延びた単結晶の粒を形成することで、少なくともＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない半導体膜の形成が可能となる。

なお、希ガスや窒素などの不活性ガス雰囲気中でレーザ光を照射するようにしても良い。これにより、レーザ光照射による半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のばらつきによって生じる閾値のばらつきを抑えることができる。

上述した半導体膜５０２へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５０３が形成される。

次に、図９（Ｃ）に示すように半導体膜５０３をパターニングし、島状の半導体膜５０７〜５０９が形成され、該島状の半導体膜５０７〜５０９を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子が形成される。

図示しないが、例えばＴＦＴを作製する場合、次に島状の半導体膜５０７〜５０９を覆うようにゲート絶縁膜を成膜する。ゲート絶縁膜には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用いることができる。また成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。

次に、ゲート絶縁膜上に導電膜を成膜しパターニングすることでゲート電極を形成する。そして、ゲート電極や、あるいはレジストを成膜しパターニングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜５０７〜５０９にｎ型またはｐ型の導電性を付与する不純物を添加し、ソース領域、ドレイン領域、さらにはＬＤＤ領域等を形成する。

上記一連の工程によってＴＦＴを形成することができる。なお本発明の半導体装置の作製方法は、島状の半導体膜の形成以降の、上述したＴＦＴの作製工程に限定されない。本発明のレーザ光の照射方法を用いて結晶化された半導体膜をＴＦＴの活性層として用いることで、素子間の移動度、閾値及びオン電流のばらつきを抑えることができる。

なお第１のレーザ光と第２のレーザ光は、本実施の形態で示した照射条件に限定されない。

例えば第１のレーザ光として、エネルギー４Ｗ、１パルスのエネルギー２ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ₀₀の発振モード、第２高調波（５３２ｎｍ）、発振周波数１ｋＨｚ、パルス幅３０nsecのＹＡＧレーザを用いることもできる。また例えば、第１のレーザ光として、エネルギー５Ｗ、１パルスのエネルギー０．２５ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ₀₀の発振モード、第３高調波（３５５ｎｍ）、発振周波数２０ｋＨｚ、パルス幅３０nsecのＹＶＯ₄レーザを用いることもできる。また例えば、第１のレーザ光として、エネルギー３．５Ｗ、１パルスのエネルギー０．２３３ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ₀₀の発振モード、第４高調波（２６６ｎｍ）、発振周波数１５ｋＨｚ、パルス幅３０nsecのＹＶＯ₄レーザを用いることもできる。

そして、第２のレーザ光として、例えばエネルギー５００Ｗ、基本波（１．０６４μm）のNd:YAGレーザを用いることができる。また例えば第２のレーザ光として、エネルギー２０００Ｗ、基本波（１．０６４μm）のNd:YAGレーザを用いることができる。

また、レーザ光による結晶化の前に、触媒元素を用いた結晶化工程を設けても良い。触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を用いているが、その以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いることができる。触媒元素を用いた結晶化工程の後に、レーザ光による結晶化工程を行なうと、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、基板により近い側においてレーザ光の照射により溶融されずに残存し、該結晶を結晶核として結晶化が進む。よってレーザ光の照射による結晶化は基板側から半導体膜の表面に向かって均一に進みやすく、レーザ光による結晶化工程のみの場合に比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザ光による結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられ、オフ電流を抑えることができる。

なお、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めていても良いし、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。

なお本実施の形態では、半導体膜の結晶化に本発明のレーザ照射方法を用いた例を示したが、半導体膜にドーピングした不純物元素の活性化を行なうのに用いても良い。

本発明の半導体装置の作製方法は、集積回路や半導体表示装置の作製方法に用いることができる。特に、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＦＥＤ（Field Emission Display）等の半導体表示装置の画素部に設けられたトランジスタ等の半導体素子に用いた場合、画素部において照射されたレーザ光のエネルギーの分布に起因する横縞が、視認されるのを抑えることができる。

本実施例では、本発明のレーザ照射装置の一形態について説明する。

図５に本実施例のレーザ照射装置の構成を示す。本実施例では、パルス発振の可視光線以下の波長を有する第１のレーザ光が、レーザ発振器１５２０から発振される。また連続発振の第２のレーザ光が、２つのレーザ発振器１５００、１５０１から発振されている。

なお本実施例では、レーザ発振器１５２０にエキシマレーザを用い、１パルスあたりの出力エネルギーを１Ｊ、パルス幅を３０nsec程度、従って単位時間あたりの出力を３０ＭＷとする。またレーザ発振器１５００、１５０１には共にＹＡＧレーザを用い、それぞれ出力エネルギーを１０ｋＷとする。

レーザ発振器１５２０から発振される第１のレーザ光は、ミラー１５２３において反射された後、光学系１５２４において矩形状、楕円形状または線状に集光され、被処理物１５１４に照射される。なお本実施例では、レーザ発振器１５２０とミラー１５２３との間に、第１のレーザ光を遮るシャッター１５２１が設けられているが、必ずしも設ける必要はない。また光学系１５２４は、線状、矩形状または楕円形状にビームスポットを集光し、エネルギー分布を均一にできるものであれば良い。

一方、レーザ発振器１５００、１５０１から発振された第２のレーザ光は、それぞれビームエキスパンダー１５０８、１５６０に入射する。本実施例では、レーザ発振器１５００、１５０１とビームエキスパンダー１５０８、１５６０との間に、第２のレーザ光を遮るシャッター１５０２、１５０３がそれぞれ設けられているが、必ずしも設ける必要はない。

そして、ビームエキスパンダー１５０８、１５６０によって、入射してきた第２のレーザ光の広がりを抑え、なおかつ、ビームの断面形状の大きさを調整することができる。

ビームエキスパンダー１５０８、１５６０から出射した第２のレーザ光は、シリンドリカルレンズ１５０９、１５６１において、そのビームの断面形状が矩形状、楕円形状または線状になるようにそれぞれ伸長される。そして、該伸長された第２のレーザ光は、ミラー１５１０、１５６２においてそれぞれ反射し、共にレンズ１５１１に入射する。入射したレーザ光はレンズ１５１１によって線状に集光され、レーザ照射室１５１３内の被処理物１５１４に照射される。本実施例ではレンズ１５１１としてシリンドリカルレンズを用いたが、ビームスポットを矩形状、楕円形状または線状にすることができるレンズであれば良い。

本実施例においては、ミラー１５２３、光学系１５２４が第１のレーザ光に対応する光学系に相当する。またビームエキスパンダー１５０８、１５６０、シリンドリカルレンズ１５０９、１５６１、ミラー１５１０、１５６２が、第２のレーザ光に対応する光学系に相当する。これら２つの光学系によって、第１のレーザ光により被処理物１５１４の表面に形成される第１のビームスポットと、第２のレーザ光により被処理物１５１４の表面に形成される第２のビームスポットとを重ね合わせることができる。

図７に、図５に示すレーザ照射装置において用いられる各ビームスポットの形状及びその配置の一例を示す。図７において、１５７０は第１のビームスポットに相当し、１５７１、１５７２はそれぞれ第２のビームスポットに相当する。図７では、第２のビームスポット１５７１と１５７２を、その長軸が一致するように、互いに一部重ね合わされている。そして、第２のビームスポット１５７１、１５７２を完全に覆うように、第１のビームスポット１５７０が重なっている。

本実施例では、第１のビームスポット１５７０の短軸方向の長さＬ_X1570を４００μｍ、長軸方向の長さＬ_Y1570を１１０ｍｍとし、エネルギー密度を２５ＭＷ／ｃｍ²程度とする。１パルスあたりのエネルギー密度に換算すると１００〜１０００ｍＪ／ｃｍ²程度が適当である。また第２のビームスポット１５７２の短軸方向の長さＬ_X1572を２００μｍ、長軸方向の長さＬ_Y1572を６０ｍｍとし、エネルギー密度を０．１ＭＷ／ｃｍ²とする。そして第２のビームスポット１５７１、１５７２は、互いに２０ｍｍ分重なっており、第２のビームスポット１５７１、１５７２の長軸を連ねた長さが１００ｍｍとなるようにする。

このように第２のレーザ光を複数合成することで、第１のレーザ光と第２のレーザ光が重なる領域を広げることができ、レーザ光が照射された領域全体に占める、該結晶性の劣っている領域の割合を減らすことができる。

なお本実施例では２つのレーザ発振器を用いて、２系統の第２のレーザ光を被処理物に照射しているが、本発明はこれに限定されず、３以上の複数の系統の第２のレーザ光を用いるようにしても良い。また第１のレーザ光も複数の系統としても良い。

レーザ照射室１５１３内において、被処理物１５１４はステージ１５１５上に載置されており、該ステージ１５１５は３つの一軸ロボット１５１６〜１５１８によってその位置が制御されている。具体的には、φ軸用の一軸ロボット１５１６により、水平面内においてステージ１５１５を回転させることができる。また、Ｘ軸用の一軸ロボット１５１７により、水平面内においてステージ１５１５をＸ軸方向に移動させることができる。また、Ｙ軸用の一軸ロボット１５１８により、水平面内においてステージ１５１５をＹ軸方向に移動させることができる。各位置制御手段の動作は、中央処理装置１５１９において制御されている。

Ｙ軸方向に長く伸ばされた線状のビームスポットを照射しながら被処理物をＸ方向に走査させることで、走査方向に沿って長く伸びた結晶粒の集まりを形成できる。走査の速度は例えば１０〜２０００ｍｍ／ｓ、好ましくは１００〜１０００ｍｍ／ｓとすれば良いが、半導体膜の膜厚、材料等の条件により、走査速度の最適な範囲は前後する。これにより、走査方向に延びた幅１００ｍｍの領域に、該走査方向に結晶成長した単結晶の結晶粒を敷き詰めるように形成することができる。この走査方向に結晶成長した結晶粒が敷き詰められた領域は、単に連続発振のレーザ光のみを用いて結晶化を行なう従来技術の場合と比較して、その幅が１００倍程度と飛躍的に広い。

なお本実施例のように、ＣＣＤ等の受光素子を用いたモニター１５１２を設け、被処理物１５１４の位置を正確に把握できるようにしても良い。

図６を用いて、本発明のレーザ照射装置を用いて形成される半導体装置の１つである、発光装置の画素の構成について説明する。

図６において、基板６０００に、下地膜６００１が形成されており、該下地膜６００１上にトランジスタ６００２が形成されている。トランジスタ６００２は活性層６００３と、ゲート電極６００５と、活性層６００３とゲート電極６００５の間に挟まれたゲート絶縁膜６００４と、を有している。

活性層６００３は、本発明のレーザ照射装置を用いることで結晶化された多結晶半導体膜が用いられている。なお、活性層は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムを用いるようにしても良い。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５atomic％程度であることが好ましい。また窒化炭素が添加された珪素を用いていても良い。

またゲート絶縁膜６００４は、酸化珪素、窒化珪素または酸化窒化珪素を用いることができる。またそれらを積層した膜、例えばＳｉＯ₂上にＳｉＮを積層した膜を、ゲート絶縁膜として用いても良い。またゲート電極６００５として、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕから選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成する。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また単層の導電膜ではなく、複数の層からなる導電膜を積層したものであっても良い。

またトランジスタ６００２は、第１の層間絶縁膜６００６で覆われており、第１の層間絶縁膜６００６上には第２の層間絶縁膜６００７と、第３の層間絶縁膜６００８とが積層されている。第１の層間絶縁膜６００６は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、酸化珪素、窒化珪素または酸化窒化珪素膜を単層でまたは積層して用いることができる。

また第２の層間絶縁膜６００７は、有機樹脂膜、無機絶縁膜、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ結合とＳｉ−ＣＨx結合手を含む絶縁膜等を用いることができる。本実施例では非感光性のアクリルを用いる。第３の層間絶縁膜６００８は、水分や酸素などの発光素子の劣化を促進させる原因となる物質を、他の絶縁膜と比較して透過させにくい膜を用いる。代表的には、例えばＤＬＣ膜、窒化炭素膜、ＲＦスパッタ法で形成された窒化珪素膜等を用いるのが望ましい。

また図６において６０１０は陽極、６０１１は電界発光層、６０１２は陰極であり、陽極６０１０と電界発光層６０１１と陰極６０１２が重なっている部分が発光素子６０１３に相当する。トランジスタ６００２の一つは、発光素子６０１３に供給する電流を制御する駆動用トランジスタであり、発光素子６０１３と直接、または他の回路素子を介して直列に接続されている。電界発光層６０１１は、発光層単独かもしくは発光層を含む複数の層が積層された構成を有している。

陽極６０１０は第３の層間絶縁膜６００８上に形成されている。また第３の層間絶縁膜６００８上には隔壁として用いる有機樹脂膜６０１４が形成されている。なお本実施例では隔壁として有機樹脂膜を用いているが、無機絶縁膜、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ結合とＳｉ−ＣＨx結合手を含む絶縁膜等を隔壁として用いることができる。有機樹脂膜６０１４は開口部６０１５を有しており、該開口部において陽極６０１０と電界発光層６０１１と陰極６０１２が重なり合うことで発光素子６０１３が形成されている。

そして有機樹脂膜６０１４及び陰極６０１２上に、保護膜６０１６が成膜されている。保護膜６０１６は第３の層間絶縁膜６００８と同様に、水分や酸素などの発光素子の劣化を促進させる原因となる物質を、他の絶縁膜と比較して透過させにくい膜、例えばＤＬＣ膜、窒化炭素膜、ＲＦスパッタ法で形成された窒化珪素膜等を用いる。

また有機樹脂膜６０１４の開口部６０１５における端部は、有機樹脂膜６０１４上に一部重なって形成されている電界発光層６０１１に、該端部において穴があかないように、丸みを帯びさせることが望ましい。具体的には、開口部における有機樹脂膜の断面が描いている曲線の曲率半径が、０．２〜２μｍ程度であることが望ましい。上記構成により、後に形成される電界発光層や陰極のカバレッジを良好とすることができ、陽極６０１０と陰極６０１２が電界発光層６０１１に形成された穴においてショートするのを防ぐことができる。また電界発光層６０１１の応力を緩和させることで、発光領域が減少するシュリンクとよばれる不良を低減させることができ、信頼性を高めることができる。

なお図６では、有機樹脂膜６０１４として、ポジ型の感光性のアクリル樹脂を用いた例を示している。感光性の有機樹脂には、光、電子、イオンなどのエネルギー線が露光された箇所が除去されるポジ型と、露光された箇所が残るネガ型とがある。本発明ではネガ型の有機樹脂膜を用いても良い。また感光性のポリイミドを用いて有機樹脂膜６０１４を形成しても良い。ネガ型のアクリルを用いて有機樹脂膜６０１４を形成した場合、開口部６０１５における端部が、Ｓ字状の断面形状となる。このとき開口部の上端部及び下端部における曲率半径は、０．２〜２μｍとすることが望ましい。

陽極６０１０は透明導電膜を用いることができる。ＩＴＯの他、酸化インジウムに２〜２０％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合した透明導電膜を用いても良い。図６では陽極６０１０としＩＴＯを用いている。また陰極６０１２は、仕事関数の小さい導電膜であれば公知の他の材料を用いることができる。例えば、Ｃａ、Ａｌ、ＣａＦ、ＭｇＡｇ、ＡｌＬｉ等が望ましい。

なお図６では、発光素子から発せられる光が基板６０００側に照射される構成を示しているが、光が基板とは反対側に向かうような構造の発光素子としても良い。また図６ではトランジスタ６００２と発光素子の陽極６０１０が接続されているが、本発明はこの構成に限定されず、トランジスタ６００２と発光素子の陰極６０１２が接続されていても良い。この場合、陰極は第３の層間絶縁膜６００８上に形成される。そしてＴｉＮ等を用いて形成される。

なお、実際には図６まで完成したら、さらに外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（ラミネートフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）や透光性のカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。その際、カバー材の内部を不活性雰囲気にしたり、内部に吸湿性材料（例えば酸化バリウム）を配置したりするとＯＬＥＤの信頼性が向上する。

なお、本実施例では半導体装置の一例として発光装置を例に挙げたが、本発明の作製方法を用いて形成される半導体装置はこれに限定されない。

本実施例では実施の形態２とは異なり、本発明のレーザ照射装置による結晶化方法に、触媒元素による結晶化方法を組み合わせた例について説明する。

まず、半導体膜５０２を成膜し、該半導体膜５０２に０族の元素のドーピングを行なう工程まで、実施の形態２の図９（Ａ）までを参照して行なう。次に図１０（Ａ）に示すように、半導体膜５０２の表面に、重量換算で１〜１００ｐｐｍのＮｉを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピンコート法で塗布した。なお触媒の添加は上記方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などを用いて添加しても良い。そして、５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃、１４時間の加熱処理を行った。この加熱処理により、酢酸ニッケル塩溶液が塗布された表面から、基板５００に向かって縦方向に結晶化が促進された半導体膜５２０が形成される（図１０（Ａ））。

加熱処理には、例えば、ランプの輻射を熱源としたＲＴＡ(Rapid Thermal Anneal)、又は加熱された気体を用いるＲＴＡ（ガスＲＴＡ）で設定加熱温度７４０℃、１８０秒のＲＴＡを行なう。設定加熱温度は、パイロメータで測る基板の温度であり、その温度を熱処理時の設定温度としている。他の方法としては、ファーネスアニール炉を用いて５５０℃にて４時間の熱処理があり、これを用いても良い。結晶化温度の低温化及び時短化は触媒作用のある金属元素の作用によるものである。

なお、本実施例では触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を用いているが、その以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いても良い。

次に図１０（Ｂ）に示すように、半導体膜５２０を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施例では、第１のレーザ光として、１パルスあたりのエネルギー１Ｊ程度、周波数３００ｋＨｚ、パルス幅２５nsec程度のパルス発振のエキシマレーザを用い、また第２のレーザ光としてエネルギー５００Ｗ、基本波（１．０６４μm）のNd:YAGレーザを用いた。

そして本実施例では、第１のレーザ光によって得られる第１のビームスポットと、第２のレーザ光によって得られる第２のビームスポットとの走査方向を揃え、第１のビームスポットが第２のビームスポット内に収まるようにする。なおビームスポットの大小関係は本実施例で示した構成に限定されない。本実施例のように、第２のビームスポットの方が第１のビームスポットに比べて広くなるようにすることで、課題を解決するための手段において説明したように、ビームスポットのエッジ近傍における微結晶領域を、激減させるかもしくは消滅させることができる。また逆に、該幅を、第１のビームスポットの方が第２のビームスポットに比べて広くなるようにすることで、２つのレーザ光の重なる領域を最大限に確保することができる。なお光学系による調整が可能であるならば、２つのビームスポットの、走査方向に対して垂直の方向における幅を揃えることで、両方のメリットを得ることができる。

上述した半導体膜５２０へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５２１が形成される。なお、触媒元素を用いて結晶化された半導体膜５２１内には、触媒元素（ここではＮｉ）がおおよそ１×１０¹⁹atoms/cm³程度の濃度で含まれていると考えられる。次に、半導体膜５２１内に存在する触媒元素のゲッタリングを行なう。

まず、図１０（Ｃ）に示すように半導体膜５２１の表面に酸化膜５２２を形成する。１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有する酸化膜５２２を形成することで、後のエッチング工程において半導体膜５２１の表面がエッチングにより荒れるのを防ぐことができる。酸化膜５２２は公知の方法を用いて形成することができる。例えば、硫酸、塩酸、硝酸などと過酸化水素水を混合させた水溶液や、オゾン水で、半導体膜５２１の表面を酸化することで形成しても良いし、酸素を含む雰囲気中でのプラズマ処理や、加熱処理、紫外線照射等により形成しても良い。また酸化膜を別途、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法、蒸着法などで形成しても良い。

次に酸化膜５２２上に、希ガス元素を１×１０²⁰atoms/cm³以上の濃度で含むゲッタリング用の半導体膜５２３を、スパッタ法を用いて２５〜２５０ｎｍの厚さで形成する。ゲッタリング用の半導体膜５２３は、半導体膜５２１とエッチングの選択比を大きくするため、半導体膜５２１よりも膜の密度の低い方がより望ましい。希ガス元素としてはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれた一種または複数種を用いる。

次にファーネスアニール法やＲＴＡ法を用いて加熱処理を施し、ゲッタリングを行なう。ファーネスアニール法で行なう場合には、窒素雰囲気中にて４５０〜６００℃で０．５〜１２時間の加熱処理を行なう。また、ＲＴＡ法を用いる場合には、加熱用のランプ光源を１〜６０秒、好ましくは３０〜６０秒点灯させ、それを１〜１０回、好ましくは２〜６回繰り返す。ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、半導体膜が瞬間的には６００〜１０００℃、好ましくは７００〜７５０℃程度にまで加熱されるようにする。

加熱処理により、半導体膜５２１内の触媒元素が、拡散により矢印に示すようにゲッタリング用の半導体膜５２３に移動し、ゲッタリングされる。

次にゲッタリング用の半導体膜５２３を選択的にエッチングして除去する。エッチングは、ＣｌＦ₃によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド（（ＣＨ₃）₄ＮＯＨ）を含む水溶液などアルカリ溶液によるウエットエッチングで行なうことができる。この時酸化膜５２２によって半導体膜５２１がエッチングされるのを防ぐことができる。

次に酸化膜５２２をフッ酸により除去した後、半導体膜５２１をパターニングし、島状の半導体膜５２４〜５２６を形成する（図１０（Ｄ））。該島状の半導体膜５２４〜５２６を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子を形成することができる。なお、本発明においてゲッタリング工程は、本実施例に示した方法に限定されない。その他の方法を用いて半導体膜中の触媒元素を低減するようにしても良い。

本実施例の場合、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、基板により近い側においてレーザ光の照射により溶融されずに残存し、該結晶を結晶核として結晶化が進む。よってレーザ光の照射による結晶化は基板側から表面に向かって均一に進みやすく、またその結晶方位を揃えやすいため、実施の形態２の場合に比べて表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられる。

なお本実施例では、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めている構成について説明した。本発明はこれに限定されず、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。

本実施例では、本発明のレーザ照射装置による結晶化方法に触媒元素による結晶化方法を組み合わせた、実施例３とは異なる例について説明する。

まず、半導体膜５０２を成膜し、該半導体膜５０２に０族の元素のドーピングを行なう工程まで、実施の形態２の図９（Ａ）までを参照して行なう。次に図１１（Ａ）に示すように、半導体膜５０２の上に開口部を有するマスク５４０を形成した。そして、半導体膜５０２の表面に重量換算で１〜１００ｐｐｍのＮｉを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピンコート法で塗布した。なお触媒の添加は上記方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などを用いて添加しても良い。塗布された酢酸ニッケル塩溶液は、マスク５４０の開口部において半導体膜５０２と接する（図１１（Ａ））。

次に、５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃、１４時間の加熱処理を行った。この加熱処理により、酢酸ニッケル塩溶液が塗布された表面から、実線の矢印で示したように結晶化が促進された半導体膜５３０が形成される（図１１（Ａ））。加熱処理の方法はこれに限定されず、実施例３に示したその他の方法で行なっても良い。

なお、触媒元素は実施例３に列記したものを用いることができる。

次にマスク５４０を除去した後、図１１（Ｂ）に示すように、半導体膜５３０を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施例では、第１のレーザ光として、エネルギー６Ｗ、１パルスのエネルギー６ｍＪ／ｐ、第２高調波（５２７ｎｍ）、発振周波数１ｋＨｚ、パルス幅６０nsecのＹＬＦレーザを用い、また第２のレーザ光としてエネルギー２０００Ｗ、基本波（１．０６４μm）のNd:YAGレーザを用いた。そして本実施例では、第１のレーザ光によって得られる第１のビームスポットと、第２のレーザ光によって得られる第２のビームスポットとの走査方向を揃え、なおかつ走査方向に対して垂直な方向における幅を、第２のビームスポットの方が第１のビームスポットに比べて広くなるようにする。ビームスポットの幅の大小関係はこれに限定されない。

上述した半導体膜５３０へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５３１が形成される。

なお図１１（Ｂ）に示したように触媒元素を用いて結晶化された半導体膜５３１内には、触媒元素（ここではＮｉ）がおおよそ１×１０¹⁹atoms/cm³程度の濃度で含まれていると考えられる。次に、半導体膜５３１内に存在する触媒元素のゲッタリングを行なう。

まず図１１（Ｃ）に示すように、半導体膜５３１を覆うように、マスク用の酸化シリコン膜５３２を１５０ｎｍの厚さで形成し、パターニングにより開口部を設け、半導体膜５３１の一部を露出させる。そして、リンを添加して、半導体膜５３１にリンが添加された領域５３３を設ける。この状態で、窒素雰囲気中で５５０〜８００℃、５〜２４時間、例えば６００℃、１２時間の熱処理を行なうと、半導体膜５３１にリンが添加された領域５３３がゲッタリングサイトとして働き、半導体膜５３１に残存していた触媒元素が、リンの添加されたゲッタリング領域５３３に偏析する。

そして、リンが添加された領域５３３をエッチングで除去することにより、半導体膜５３１の残りの領域において、触媒元素の濃度を１×１０¹⁷atms/cm³以下にまで低減させることができる。次に、マスク用の酸化シリコン膜５３２を除去した後、半導体膜５３１をパターニングし、島状の半導体膜５３４〜５３６を形成する（図１１（Ｄ））。該島状の半導体膜５３４〜５３６用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子を形成することができる。なお、本発明においてゲッタリング工程は、本実施例に示した方法に限定されない。その他の方法を用いて半導体膜中の触媒元素を低減するようにしても良い。

本実施例の場合、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、基板により近い側においてレーザ光の照射により溶融されずに残存し、該結晶を結晶核として結晶化が進む。よってレーザ光の照射による結晶化は基板側から表面に向かって均一に進みやすく、またその結晶方位を揃えやすいため、実施の形態２の場合に比べて表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられる。

なお本実施例では、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めている構成について説明した。本発明はこれに限定されず、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光の照射を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。

本実施例では、半導体素子の作製工程における、レーザ光の照射のタイミングについて説明する。

実施の形態２において示した作製方法では、パターニングにより島状の半導体膜を形成する前に、半導体膜にレーザ光を照射して結晶化を行なっている。しかし本発明の半導体装置の作製方法はこれに限定されず、レーザ光の照射のタイミングは設計者が適宜決めることができる。

例えば、レーザ光の照射による結晶化は、半導体膜を島状にパターニングした後に行なっても良い。図１２（Ａ）に、島状の半導体膜１１０１にレーザ光を照射する様子を示す。１１０２はビームスポットに相当し、実際には第１のビームスポットと第２のビームスポットを重ね合わせることで形成されている。ビームスポット１１０２は、矢印で示す方向に向かって、島状の半導体膜１１０１に対して相対的に移動する。

なお、島状の半導体膜にレーザ光を照射した後、再びパターニングしても良い。図１２（Ｂ）に、２回パターニングを行なう半導体装置の作製工程において、１回目のパターニングの後にレーザ光を照射する様子を示す。１１０３は１回目のパターニングによって得られた島状の半導体膜であり、島状の半導体膜１１０３内に点線で示す領域１１０４が、結晶化後の２回目のパターニングによって島状の半導体膜となる領域に相当する。１１０５はビームスポットに相当し、実際には第１のビームスポットと第２のビームスポットを重ね合わせることで形成されている。ビームスポット１１０５は、矢印で示す方向に向かって、島状の半導体膜１１０３に対して相対的に移動する。図１２（Ｂ）の場合、レーザ光による結晶化の後、２回目のパターニングを行ない、実際に半導体素子として用いる島状の半導体膜を得ることができる。

本実施例では、基板の位置を制御する手段の一実施例について説明する。基板の位置を制御する手段の断面図を図１３（Ａ）に、上面図を図１３（Ｂ）に示す。６０１はステージ、６０３はステージ６０１上において基板６０２を移動させるためのコンベヤー、６０４は基板６０２の一端をコンベヤーに固定するための基板固定手段、６０６はステージの位置を制御するステージ搬送手段、６０７は基板の位置を認識するための手段（本実施例ではＣＣＤを備えたカメラを用いる）に相当する。

図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に示したステージ６０１の拡大図である。図１３（Ｃ）に示すように、本実施例ではステージ６０１の表面に設けられた孔６０５から空気、窒素、酸素等のガスを噴出することで、ホバークラフトのように基板６０２をステージ６０１から浮かして水平に保つことができる。そしてコンベヤー６０３で基板固定手段６０４の位置を制御することで、基板６０２をステージ６０１において移動させることができる。

またステージ搬送手段６０６によって、コンベヤー６０３による基板固定手段６０４の移動方向に対して交差する方向（好ましくは垂直の方向）に、ステージ６０１を移動させることが可能である。そして図１３（Ｂ）に示すように、コンベヤー６０３による固定手段の移動方向と、ステージ６０１の移動方向とを垂直にすることで、基板６０２全面にレーザ光を照射することが可能である。

なお、必ずしも基板の位置を認識するための手段を設ける必要はないが、該手段を設けることで、基板６０２におけるレーザ光の照射位置を精密に制御することができる。よって、結晶化する必要のない領域はレーザ光の走査を省くことができる。例えば実施例５に示した半導体装置の作製方法のように、パターニングにより島状の半導体膜を形成してからレーザ光による結晶化を行なう場合、島状の半導体膜が存在しないような領域はレーザ光の走査を省くことができる。従って、基板１枚あたりにかかる処理時間を大幅に短縮することができる。

本実施例では、第１のビームスポットと第２のビームスポットの重ね合わせ方の一実施例について説明する。

図１４（Ａ）に、本実施例のレーザ照射装置の構成を示す。本実施例では４つの発振器１４０１〜１４０４から得られる４つのレーザ光を重ね合わせている。発振器１４０１、１４０３においては連続発振の基本波のレーザ光が得られ、発振器１４０２、１４０４においてはパルス発振の高調波のレーザ光が得られる。発振器１４０１〜１４０４から発振されたレーザ光は、それぞれ光学系１４０５〜１４０８においてそのビームスポットの形状が制御され、基板１４１０に集光される。

図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示したレーザ照射装置によって基板１４１０上に形成されるビームスポットの形状を示す。図１４（Ｂ）に示すビームスポットは、４つのレーザ光によって得られる４つのビームスポットを重ね合わせることで得られる。具体的には、発振器１４０１から発振された連続発振の基本波のレーザ光は、１４１１に示す領域に照射されている。発振器１４０２から発振されたパルス発振の高調波のレーザ光は、１４１２に示す領域に照射されている。発振器１４０３から発振された連続発振の基本波のレーザ光は、１４１３に示す領域に照射されている。発振器１４０４から発振されたパルス発振の高調波のレーザ光は、１４１４に示す領域に照射されている。そして本実施例では白抜きの矢印で示すように、各領域の長軸に対して垂直な方向に、ビームスポットの走査方向を揃える。

なお、領域１４１２と領域１４１４が重なることで得られる第１の領域と、領域１４１１と領域１４１３とが重なることで得られる第２の領域とが、さらに重なる領域において、大粒径の結晶が得られる。本実施例では、領域１４１２と領域１４１４が重なることで得られる第１の領域は、領域１４１１と領域１４１３とが重なることで得られる第２の領域に含まれている。なお第１の領域と第２の領域の大小関係は本実施例で示した構成に限定されない。基本波のレーザ光に対応する第２の領域の、走査方向と垂直な方向における幅は、高調波のレーザ光に対応する第１の領域より、広くても良いし、逆に狭くても良い。前者の場合、エッジ近傍における微結晶領域の形成を激減、もしくは消滅させることができる。後者の場合、大粒径の結晶が得られる領域を最大限に確保することができる。なお、走査方向と垂直な方向における幅が、第１の領域と第２の領域で一致している場合、上記両方のメリットを得ることができる。

本実施例では、第１のビームスポットと第２のビームスポットの重ね合わせ方の一実施例について説明する。

本実施例では、パルス発振の高調波の第１のレーザ光と、連続発振の第２のレーザ光とを重ね合わせることで得られるのビームスポットを、複数用い、レーザ光の照射を行なう。図１５に本実施例のビームスポットのレイアウトの一例を示す。図１５では第１のレーザ光と第２のレーザ光を重ね合わせることで得られるビームスポットを４つ（１６０１〜１６０４）用いているが、該ビームスポットの数はこれに限定されない。該４つのビームスポットの走査方向は、全て同じ方向に揃える。

具体的に各ビームスポット１６０１〜１６０４は、第２のレーザ光によって形成されるビームスポットの中に、第１のレーザ光によって形成されるビームスポット（照射領域）１６１１〜１６１４が重なるように形成する。よって本実施例では、第１のレーザ光のビームスポット１６１１〜１６１４が、第１のレーザ光と第２のレーザ光が重なる領域に相当する。第１のレーザ光の照射領域１６１１〜１６１４において大粒径の結晶粒が存在する領域１６２０を得ることができる。

本実施例では、４つのビームスポット１６０１〜１６０４の長軸は互いに一致していない。ただし、第２のレーザ光のビームスポット１６０１〜１６０４は、互いに隣りのビームスポットと重ね合わせ、なおかつ第１のレーザ光の照射領域１６１１〜１６１４によって結晶化される領域を、互いに重ねるようにする。本実施例では、ビームスポット１６０１〜１６０４の、第１のレーザ光の照射領域１６１１〜１６１４とは重ならない領域においては、レーザ光が半導体膜に吸収されにくいので、微結晶領域が形成されにくい。よって、大粒径の結晶が存在する領域１６２０を連続するように形成することができる。そして４つのビームスポット１６０１〜１６０４の長軸は互いに一致させなくても良いので、光学系の調整を比較的容易にすることができる。

本実施例では、本発明のレーザ照射装置が有する光学系の、一実施例について説明する。

図１６において、７３０は第１のレーザ光を発振するレーザ発振器であり、出力６Ｗ、発振周波数１ｋＨｚ、パルス幅６０ｎｓｅｃの、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を有するパルス発振のＹＬＦレーザを用いている。なお、図１６では第２高調波を用いているが、本発明はこれに限定されず、さらに高次の高調波を用いても良い。また７３１は第２のレーザ光を発振するレーザ発振器であり、図１６では、出力が２ｋＷで、基本波（波長１.０６４μm）を有する連続発振のNd:YAGレーザを用いる。各レーザ発振器７３０、７３１から得られる第１及び第２のレーザ光は、ＴＥＭ₀₀モード（シングルモード）であることが望ましい。

レーザ発振器７３０から発振された第１のレーザ光は、２枚のシリンドリカルレンズ７３３、７３４を用いたビームエキスパンダーによって楕円形状に整形され、ガルバノミラー７３５において反射し、ｆθレンズ７３６において集光され、基板に成膜された半導体膜７３７に照射される。

レーザ発振器７３１から発振された第２のレーザ光は、０．６ｍｍφの光ファイバー７３８により伝送された後、凸レンズ７３９において楕円形状に集光され、基板に成膜された半導体膜７３７に照射される。

第１のレーザ光によって得られる第１のビームスポットと、第２のレーザ光によって得られる第２のビームスポットとを重ねることで、１つのビームスポット７４０を得る。なお入射角度を０度にせず５０度以上とすることで、ビームスポットを楕円形状に集光することができる。本実施例では第２のビームスポットは、例えば短軸０．６ｍｍ、長軸３ｍｍの楕円形状とし、第１のビームスポットは、例えば短軸０．２ｍｍ、長軸３ｍｍとする。

第２のビームスポットは、光ファイバー７３８と凸レンズ７３９を、矢印７４１で示す向きに移動させることで、半導体膜７３７上をスキャンさせることができる。光ファイバー７３８は可撓性を有しているので、光ファイバー７３８を変形させ、凸レンズ７３９に対する光ファイバー７３８の射出口の向きや位置を固定したまま、射出口を含む光ファイバー７３８の一部と凸レンズ７３９と（破線７４３で示す部分）を、矢印７４１の方向に移動させ、第２のビームスポットを矢印７４４の方向に沿って走査することができる。また第１のビームスポットは、ガルバノミラー７３５の角度を変化させることで、矢印７４４の方向に沿って走査させることができる。またｆθレンズ７３６を用いることで、ガルバノミラー７３５の角度の変化に伴う第１のビームスポットの形状の変化を極力抑えることができる。上記構成によって、第１のビームスポットと第２のビームスポットによって得られるビームスポット７４０を、半導体膜７３７に対して矢印７４４で示す方向に走査することができる。

そして本実施の形態では、矢印７４４で示す方向への走査に加え、一軸ステージを用いることで半導体膜７３７にを白抜きの矢印７４５で示す方向に走査し、全面に第１のレーザ光及び第２のレーザ光を照射することができる。矢印７４４と白抜きの矢印７４５とは、交差、より好ましくは直交させるようにする。本実施例では、第１及び第２のレーザ光の走査速度を、例えば５００ｍｍ／ｓｅｃとする。

なお本発明のレーザ照射装置に用いられる光学系は、本実施の形態で示した構成に限定されない。

ビームスポットと、半導体膜の結晶状態と、エネルギー分布を示す図。 ビームスポットの大小関係を示す図。 本発明のレーザ照射装置の構成を示す図。 本発明のレーザ照射方法において、被処理物の走査経路を示す図。 本発明のレーザ照射装置の構成を示す図。 本発明のレーザ照射装置を用いて作製された発光装置の断面図。 図５に示すレーザ照射装置において用いられるビームスポットの形状を示す図。 レーザ光の波長と吸収係数の関係を示す図。 半導体装置の作製方法を示す図。 半導体装置の作製方法を示す図。 半導体装置の作製方法を示す図。 パターニング後にレーザ結晶化する場合の半導体装置の作製方法を示す図。 基板の位置を制御する手段の一実施例を示す図。 本発明のレーザ照射装置の構成を示す図。 ビームスポットの重ね合わせ方の一実施例を示す図。 本発明のレーザ照射装置の構成を示す図。

符号の説明

１０１ レーザ発振器
１０２ 反射ミラー
１０３ レンズ
１０４ 被処理物
１０５ 第２のビームスポット
１０６ 第１のビームスポット
１０７ 吸着ステージ
１０８ Ｘ軸用の一軸ロボット
１０９ Ｙ軸用の一軸ロボット
１１０ レーザ発振器
１１１ 光ファイバー
１１２ レンズ

Claims (4)

1. ガラス基板上に形成された半導体膜に、５３２ｎｍの高調波を有するパルス発振された第１の線状レーザビームと、１０６４ｎｍの基本波を有する連続発振された第２の線状レーザビームとを照射する際、
   前記第１の線状レーザビームは、前記半導体膜上で互いに重なるように複数配置され、前記第２の線状レーザビームは、前記複数の第１の線状レーザビームを覆って重ねながら、前記半導体膜と、前記第１の線状レーザビーム及び前記第２の線状レーザビームとを相対的に移動させ、
   前記半導体膜において、前記第１の線状レーザビームにより溶融した部分の溶融状態を、前記第２の線状レーザビームにより維持させ、且つ前記相対的な移動方向に向かって結晶成長させることを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。
2. 請求項１において、
   前記第１の線状レーザビームは、パルス発振のＹＡＧレーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、ＹＶＯ_４レーザ、またはＹＡｌＯ_３レーザを用いることを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   第２の線状レーザビームは、連続発振のＹＡＧレーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、ＹＶＯ_４レーザ、またはＹＡｌＯ_３レーザを用いることを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記照射面は前記第１の線状レーザビームに対して透光性を有する厚さｄの基板に成膜された膜であり、前記第１の線状ビームの長径または短径の長さをＷとすると、前記第１の線状レーザビームの前記照射面に対する入射角度φは、
   φ≧ａｒｃｔａｎ（Ｗ／２ｄ）
   を満たすことを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。

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