JP5000062B2 - 連続運動順次横方向凝固を実現する方法およびシステム - Google Patents

連続運動順次横方向凝固を実現する方法およびシステム Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜半導体材料を処理する方法およびシステムに関し、特に、レーザ照射と照射を受ける半導体膜を有する基板の連続運動とを使用して、基板上のアモルファス薄膜または多結晶薄膜から、大きな粒子で構成され粒子境界位置を制御された半導体薄膜を形成することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理分野では、レーザを使用してアモルファスシリコン薄膜を多結晶膜に変換するいくつかの試みがなされている。たとえば、James Imら著「Crystalline Si Films for Integrated Active-Matrix Liquid-Crystal Displays」11 MRS Bulletin 39（1996年）には、従来型のエキシマ・レーザ・アニーリング技法の概要が記載されている。このような従来型のシステムでは、エキシマ・レーザ光線が、通常は長さが最大で30cmであり幅が500μm以上である長いビームとして形成される。このように形成されたビームは、アモルファスシリコンのサンプル上で移動させられ、アモルファスシリコンの溶融と、サンプルが再凝固する際の、粒子境界が制御された多結晶シリコンの形成が推進される。
【０００３】
従来型のエキシマ・レーザ・アニーリング技法を使用して多結晶シリコンを生成することはいくつかの理由で問題がある。第１に、このプロセスで生成される多結晶シリコンは通常、小さな粒子で構成され、ランダムな微細構造を有し（すなわち、粒子境界が十分に制御されない）、かつ非一様な粒径を有し、その結果、不十分で非一様な装置が得られ、したがって、収量が低くなる。第２に、許容できる品質を有し粒子境界を制御された多結晶薄膜を得るには、このような薄膜の生産量を低いレベルに維持しなければならない。また、このプロセスでは一般に、制御された雰囲気が必要であり、かつアモルファスシリコン・サンプルを事前に加熱しておく必要があり、生産量が低下する。したがって、この分野では、より高い品質の多結晶シリコン薄膜をより高い生産量を維持しながら生成する必要がある。同様に、液晶パネル・ディスプレイ用の薄膜トランジスタ・アレイなど、より高い品質の装置を製造する際に使用すべきより大きくかつより一様な微細構造を有する多結晶シリコン薄膜を生成する製造技術も必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、順次横方向凝固プロセスを使用して、大きな粒子で構成され粒子境界位置を制御された多結晶薄膜半導体を製造する技法を提供し、かつこのようなシリコン薄膜を高速に生成することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらの目的のうち少なくともいくつかは、アモルファス薄膜サンプルまたは多結晶薄膜サンプルを、粒子境界を制御された多結晶薄膜または単結晶薄膜に変換する方法およびシステムを用いて実現される。膜サンプルは第１の縁部および第２の縁部を含む。特に、この方法およびシステムを使用して、レーザ光線発生装置がレーザ光線を放出するように制御され、かつこのレーザ光線の一部が、各ビームレットが膜サンプルを溶融させるのに十分な強度を有するパターン化されたビームレットを生成するようにマスクされる。膜サンプルは、パターン化されたビームレットにより、第１の縁部と第２の縁部との間の第１の経路に沿って第１の一定の所定の速度で連続的に走査される。また、膜サンプルは、パターン化されたビームレットにより、第１の縁部と第２の縁部との間の第２の経路に沿って第２の一定の所定の速度で連続的に走査される。
【０００６】
本発明の他の実施態様では、固定されたパターン化ビームレットが膜サンプルの第１の連続する部分を第１の経路に沿って連続的に照射するように、膜サンプルが第１の方向に連続的に並進させられる。第１の部分は、照射中に溶融する。また、膜サンプルは、固定されたパターン化ビームレットが膜サンプルの第２の連続する部分を第２の経路に沿って照射するように、膜サンプルが第２の方向に連続的に並進させられる。第２の部分は、照射中に溶融する。さらに、膜サンプルが第１の方向に並進させられ、膜サンプルの第１の経路の次の連続する部分が照射された後、第１の部分が冷却され再凝固し、かつ膜サンプルが第２の方向に並進させられ、膜サンプルの第２の経路の次の連続する部分が照射された後、第２の部分が冷却され再凝固する。
【０００７】
本発明の他の実施態様では、膜サンプルは、所定のビームレットが膜サンプルに対してその境界の外側の第１の位置に入射するように位置決めされる。また、膜サンプルは、第２の位置から第２の経路に沿って走査される前に、第１の位置から第２の位置へ微並進させておくことができる。
【０００８】
本発明の他の実施態様では、膜サンプルは、第２の経路に沿って走査された後、微並進させられた膜サンプルの境界の外側にある第３の位置にビームレットが照射するように並進させられる。その後、ビームレットの入射が第３の位置から、膜サンプルの境界の外側にある第４の位置へ移動するように、膜サンプルを移動させることができる。次いで、膜サンプルは、その移動が終了した後、振動を終了するまで、パターン化されたビームレットが第４の位置に入射する状態で維持される。
【０００９】
本発明の他の実施態様では、膜サンプルは、固定位置ビームレットが第１の経路を走査するように第１の方向に連続的に走査され、次いで、固定位置ビームレットが第２の経路を走査するように第２の方向に連続的に走査される。膜サンプルは、第１の方向に並進させられた後、パターン化されたビームレットが膜サンプルの第１の連続する部分を第２の経路に沿って照射するように、第１の方向とは逆の第２の方向に第１の一定の所定の速度で連続的に並進させられる。次いで、膜サンプルは、ビームレットの入射が第１の位置から、膜サンプルの境界の外側にある第２の位置へ移動するように微並進させられる。その後、膜サンプルは、パターン化されたビームレットが第２の位置に入射するまで、該ビームレットが膜サンプルの第２の連続する部分を第２の経路に沿って照射するように、第２の方向とは逆の第１の方向に第２の一定の所定の速度で連続的に並進させられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、順次横方向凝固プロセスを使用して、一様な大きな粒子で構成され粒子境界位置を制御された結晶薄膜半導体を製造する技法を提供する。この技法を十分に理解するにはまず、順次横方向凝固プロセスを理解しなければならない。
【００１１】
順次横方向凝固プロセスは、エキシマレーザから放出される順次パルス間に、シリコン膜を有するサンプルを一方向に徐々に並進させることによって、大きな粒子で構成されたシリコン構造を製造する技法である。シリコン膜によって各パルスが吸収されるにつれて、膜の小さな領域が完全に溶融し、横方向に再凝固し、パルスセットの前のパルスによって生成された結晶領域が得られる。
【００１２】
有利な順次横方向凝固プロセスと、このプロセスを実行する装置とは、1999年９月３日に出願され、共通の譲渡人に譲渡され、開示全体が引用によって本明細書に組み入れられた係属中の特許出願第09/390537号（第09/390537号出願）で開示されている。この開示は、第09/390537号出願に記載された特定の技法を参照して行われているが、他の順次横方向凝固技法を本発明で使用できるように容易に構成できることを理解されたい。
【００１３】
図1aは、連続運動ＳＬＳプロセスを実施することのできる本発明によるシステムを示している。第09/390537号にも記載されているように、このシステムは、エキシマレーザ10と、レーザ光線111のエネルギー密度を急速に変化させるエネルギー密度変調器120と、ビーム減衰器・シャッタ130（このシステムでは任意選択である）と、光学機器140、141、142、および143と、ビーム・ホモジェナイザ144と、レンズ・ビーム・ステアリング・システム145、148と、マスキング・システム150と、他のレンズ・ビーム・ステアリング・システム161、162、163と、入射レーザ・パルス164と、基板上のシリコン薄膜サンプル170と、サンプル並進ステージ180と、花崗岩ブロック190と、支持システム191、192、193、194、195、196と、シリコン膜サンプルおよび基板170のＸ方向およびＹ方向の並進ならびに微並進を管理するコンピュータ100とを含む。コンピュータ100は、マスキング・システム150内のマスクの移動またはサンプル並進ステージ180の移動によってこのような並進および／または微並進を指示する。
【００１４】
第09/390537号出願に詳しく記載されているように、所定のフルエンスの複数のエキシマ・レーザ・パルスを生成し、エキシマ・レーザ・パルスのフルエンスを制御可能に変調し、変調されたレーザ・パルスを所定の平面内で均一化し、均一化された変調レーザ・パルスの一部をマスクして、パターン化されたビームレットを生成し、パターン化されたビームレットをアモルファスシリコン薄膜サンプルに照射し、サンプルの、ビームレットによって照射された部分を溶融させ、パターン化されたビームレットおよび制御された変調に対してサンプルを制御可能に並進させ、それにより、パターン化されたビームレットに対するサンプルの順次並進および対応する順次位置でのサンプルに対する可変フルエンスのパターン化されたビームレットの照射によって、アモルファスシリコン薄膜サンプルを、単結晶シリコン薄膜または粒子境界を制御された多結晶シリコン薄膜に変換することにより、アモルファスシリコン薄膜サンプルが単結晶薄膜または多結晶薄膜に変換される。次に、本発明の以下の実施形態について前述の処理技法を参照して説明する。
【００１５】
図1bは、上述のシステムによって使用できる連続運動ＳＬＳを実現する本発明によるプロセスの実施形態を示している。具体的には、コンピュータ100は、サンプル並進ステージ180の（平面X-Y方向への）運動および／またはマスキング・システム150の移動を制御する。このように、コンピュータ100は、パルス・レーザ光線149光線および最終パルス・レーザ光線164に対するサンプル170の相対位置を制御する。最終パルス・レーザ光線164の周波数およびエネルギー密度もコンピュータ100コンピュータいよって制御される。
【００１６】
1999年９月３日に出願され、やはり共通の譲渡人に譲渡され、開示全体が引用によって本明細書に組み入れられた係属中の特許出願第09/390535号（第09/390535号出願）に記載されているように、サンプル170において結晶領域を成長させるようにマスキング・システム150またはサンプル並進ステージ180を移動させることによって、サンプル170をレーザ光線149に対して並進させることができる。たとえば、前述の目的のために、レーザ光線149の長さおよび幅はＸ方向で2cm、Ｙ方向で1/2cmでよい（たとえば、長方形）が、パルス・レーザ光線149はこのような形状およびサイズに限らない。実際には、もちろん、当業者に知られている、レーザ光線149の他の形状および／またはサイズを実現することができる（たとえば、正方形、三角形など）。
【００１７】
様々なマスクを使用して、送られたパルス・レーザ光線149から最終パルス・レーザ光線およびビームレット164を生成することもできる。マスクのいくつかの例が図2a、図3a、図4a、および図6aに示されているが、これらの詳細な説明は第09/390535号出願ですでに行われている。たとえば、図2aは、スロット220の規則的なパターンを組み込んだマスク210を示し、図3aは、山形320のパターンを組み込んでおり、図6aは、斜線620のパターンを組み込んだマスク310を示している。説明を簡単にするために、以下では、各スリットが、マスク410に入射する均一化されたレーザ光線149によってマスク410を横切って延びることができ、サンプル170の照射領域内で核生成が起こるのを防止するのに十分な狭い幅440を有するべきであるスリット420のパターンを組み込んだマスク410（図4aに示されている）を使用する本発明によるプロセスについて説明する。第09/390535号出願で論じられたように、幅440はいくつかの因子、たとえば、入射レーザ・パルスのエネルギー密度、入射レーザ・パルスの持続時間、シリコン薄膜の厚さ、シリコン基板の温度および熱伝導率などに依存する。
【００１８】
図1bに示す例示的な実施形態では、サンプル170はＹ方向のサイズが40cmであり、Ｘ方向のサイズが30cmである。サンプル170はいくつかの列（たとえば、第１の列５、第２の列６など）として概念的に細区分され、各列の位置／寸法はコンピュータ100の記憶装置に記憶され、コンピュータ100コンピュータいよって使用される。各列は、たとえば、Ｘ方向の寸法が2cmであり、Ｙ方向の寸法が40cmである。したがって、サンプル170は、たとえば15個の列として概念的に細区分することができる。サンプル170を、異なる寸法（たとえば、3cm x 40cmなど）を有するいくつかの列として細区分することを企図することもできる。サンプル170をいくつかの列として概念的に細区分する際、このような列の全長にわたって延びる１つの列の少なくとも小さな部分が近傍の列の一部と重なり合い、照射されない領域が存在する可能性をなくすべきである。たとえば、重なり合う領域の幅はたとえば1μmでよい。
【００１９】
サンプル170を概念的に細区分した後、パルス・レーザ光線111が（コンピュータ100を使用してエキサイマ・レーザを作動させるか、あるいはシャッタ130を開放することによって）活動化され、（パルス・レーザ光線149から）第１の位置20に入射するパルス・レーザ・ビームレット164を生成する。次いで、サンプル170が、第１のビーム経路25内の固定位置ビームレットに対する所定の速度に達するように、コンピュータ100の制御の下で順Ｙ方向に並進させられ加速される。
【数１】
Vmax = Bw・f
【００２０】
（上式１で、Vmaxは、パルス・ビームレット164に対するサンプル170の最大移動可能速度であり、Bwは、パルス・レーザ・ビームレット164のパターンの幅（またはパルス・ビームレット164のエンベロープの幅）であり、ｆは、パルス・ビームレット164の周波数である）を使用し、以下の数式２を使用して所定の速度Vpredを決定することができる。
【数２】
Vpred = Vmax − K
【００２１】
上式２で、Ｋは、定数であり、互いに隣接する照射領域間に照射されない領域が存在する可能性をなくすために使用される。サンプル170が連続的に並進するため、パルス・ビームレット164を遮る必要がなく、またオフにする必要もないので、ビーム減衰器・シャッタ130を使用せずに図1aに示す本発明によるシステムを使用することも可能である。
【００２２】
パルス・ビームレット164は、パルス・レーザ光線149に対するサンプル170の移動速度が所定の速度Vpredに達したときにサンプル170の上縁部10’に到達する。サンプル170は、パルス・ビームレット164が第２のビーム経路30の全長にわたってサンプルの連続する部分を照射し続けるように、所定の速度Vpredで順Ｙ方向に連続的に（すなわち、停止せずに）並進させられる。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”に到達すると、サンプル170の並進が、第2の位置40に達するように（第３のビーム経路35内の）パルス・ビームレット164に対して減速される。パルス・ビームレット164がサンプル170の連続する部分を第２のビーム経路30に沿って連続的にかつ順次照射した後、サンプル170のこれらの連続する部分は完全に溶融する。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”を通過した後、サンプル170の照射された第２のビーム経路30領域に、結晶化されたシリコン薄膜領域540（たとえば、粒子境界を制御された多結晶シリコン薄膜）が形成されることに留意されたい。結晶化シリコン薄膜領域540の一部が図5bに示されている。この粒子境界を制御された多結晶シリコン薄膜領域540は、第２の照射ビーム経路30の全長にわたって延びる。パルス・ビームレット164は、サンプル170の下縁部10”を横切った後、もはやサンプル170を照射しないので、パルス・レーザ光線149を遮断する必要がないことに留意されたい。
【００２３】
その後、溶融境界530に形成された多数の小さな初期結晶541をなくすために、パルス・ビームレット164のＹ方向に沿った位置が固定されている間、サンプル170が、第３の位置に到達するように第４のビーム経路45に沿ってＸ方向に所定の距離にわたって微並進させられ（たとえば、3マイクロメートル）、次いで、第４のビーム経路50に沿ってパルス・ビームレット164に対する所定の並進速度に達するように、コンピュータ100の制御の下で逆Ｙ方向に（サンプル170の上縁部10’の方へ）加速される。パルス・ビームレット164は、それに対するサンプル170の速度が所定の速度Vpredに達したときにサンプル170の下縁部10”に到達する。サンプル170は、パルス・ビームレット164が第５のビーム経路55の全長にわたってサンプル170を照射するように所定の速度Vpredで逆Ｙ方向に連続的に（すなわち、停止せずに）並進させられる。サンプル170が、パルス・ビームレット164がサンプル170の上縁部10’に到達するようにコンピュータ100の制御の下で並進されると、サンプル170の並進が、第５の位置65に到達するように（第６のビーム経路60内の）パルス・ビームレット164に対して再び減速される。第５のビーム経路55がこのように照射されると、サンプル170の領域551、552、553（図5bに示されている）によって、残りのアモルファスシリコン薄膜542および多結晶シリコン薄膜領域540の初期結晶化領域543が溶融し、それに対して、多結晶シリコン薄膜の中央部分545は凝固したままになる。パルス・ビームレット164が第５のビーム経路55に沿ってサンプル170の連続する部分を連続的にかつ順次照射した後、サンプル170のこれらの連続部分は完全に溶融する。したがって、レーザ光線149が第５のビーム経路55の全長にわたって第５の列５を連続的に（すなわち、停止せずに）照射したことにより、第２のビーム経路30に沿った連続的な照射の結果として形成された薄膜の溶融領域542、542が凝固する際に、外側に中央部分545を形成する結晶構造が成長する。したがって、方向を制御された長い粒子で構成された多結晶シリコン薄膜が、サンプル170上に第５のビーム経路55の全長に沿って形成される。このような結晶化構造の一部が図5cに示されている。したがって、上述の連続運動ＳＬＳ手順を使用すれば、サンプル170の列の全長に沿って図の結晶化構造を連続的に形成することが可能である。
【００２４】
次いで、サンプル170は、第７のビーム経路70を介して第５の位置72に到達するように次の列６に移動させられ、第５の位置72に移動したときにサンプル170の振動が発生した場合にはそれを停止できるようにこの位置に静止させることができる。実際、サンプル170が第６の列６に到達する場合、サンプル170は、（Ｘ方向の）幅が2cmである列に対して約2cm移動させられる。次いで、第１の列５の照射に関する上述の手順を第２の列６に対して繰り返すことができる。このように、サンプル170を静止させる（したがって、サンプル170の振動が停止するのを待つ）のに必要な最短静止時間のみによってサンプル170のすべての列を適切に照射することができる。実際、サンプル170を静止させるのに必要な時間は、レーザがサンプル170の列全体（たとえば、第５の列５）の照射を完了する時間と、サンプル170が次の列（たとえば、第２の列６）に移動する時間だけである。上述のサンプル170の例示的な寸法（30cm x 40cm）を使用した場合、各列の寸法は2cm x 40cmであるので、この例示的なサンプル170に対して照射しなければならない列は15個に過ぎない。したがって、例示的なサンプル170に起こる可能性のある「移動・静止」遅延の数は14または15である。
【００２５】
結晶化シリコン薄膜を製造する本発明による連続運動ＳＬＳ手順を使用した際の時間の節約を示すには、サンプル170の様々な走行経路の全長にわたって（上述のサンプル寸法、列寸法、およびレーザ光線寸法を有する）サンプル170を並進させるのに必要な時間を以下のように見積もることが可能である。
第１のビーム経路25 0.1秒
第２のビーム経路30 0.5秒（サンプル170は、列の全長にわたって停止し静止する必要がなく、連続的に並進するため）
第３のビーム経路35 0.1秒
第４のビーム経路45 0.1秒
第５のビーム経路50 0.1秒
第６のビーム経路55 0.6秒（この場合も、サンプル170が、列の全長にわたって停止し静止する必要がなく、連続的に並進するため）
第７のビーム経路60 0.1秒
第８のビーム経路70 0.1秒
したがって、サンプル170の各列５、６を完全に照射するのにかかる全時間は1.6秒である（あるいは最長で、たとえば２秒）。したがって、サンプル170の15個の列の場合、（サンプル170全体について）粒子境界を制御された多結晶シリコン薄膜を形成するのにかかる全時間は約40秒である。
【００２６】
上記で指摘したように、レーザ光線149の断面に関して様々な寸法および／または形状を使用することも可能である。たとえば、1cm x 1cm（すなわち、正方形）の断面積を有するパルス・レーザ光線149を使用することが可能である。パルス・ビームレット164の直径を各列の寸法パラメータの１つとして使用すると有利であることを理解されたい。この例では、（1cmのパルス・ビームレット164のパターンの直径の断面を仮定した場合）30cm x 40cmのサンプル170を、各列のＸ方向の寸法が1cmでありＹ方向の寸法が40cmである30個の列に概念的に細区分することができる。パルス・ビームレット164のこのようなパターンを使用した場合、サンプル170の所定の並進速度Vpredを高くし、場合によっては、パルス・レーザ光線149の全エネルギーを低減させることが可能である。このように、本発明によるシステムおよび方法は、15個の列を介してサンプルを照射するのではなく、30個の列を介してサンプルを照射する。（上述の15列と比べて）30個の列について列から列に移動し静止するのにかかる時間が長くなるにもかかわらず、列の幅がより小さいため、レーザ・パルス・エネルギーをより小さなビームレット・パターンに集中させることによって、パルス・レーザ光線149の強度を高くし、サンプル170を効果的に結晶化することができ、かつサンプル170の全照射完了時間が15個の列を有するサンプルと比べてそれほど長くないので、サンプル並進速度は高くなる。
【００２７】
本発明によれば、図1bに示す連続運動ＳＬＳ手順に、第09/390535号出願に記載され示されたマスクを使用することができる。たとえば、マスク310をマスキング・システム150で使用すると、処理されたサンプル（すなわち、結晶化領域360を有する、図3bに示す部分350）が作製される。各結晶領域360は、ダイヤモンド形単結晶領域370と、各山形の尾部にある、長い粒子で構成され方向を制御された２つの粒子境界多結晶シリコン領域380とから成る。斜めスリット620のパターンを組み込んだマスク610（図6aに示されている）を使用することもできる。このマスク610の場合、サンプル170をＹ方向に連続的に並進させ、図1aのマスキング・システム150でマスク610を使用すると、処理されたサンプル（結晶化領域660を有する、図6bに示す部分650）が作製される。各結晶化領域660は、方向を制御さえた粒子境界670を有する、長い粒子で構成された結晶領域から成る。
【００２８】
正方形サンプル170の縁部に平行でない各列に沿ってサンプル170を照射することも可能である。たとえば、各列は、サンプル170の縁部に対して約45度に延びることができる。コンピュータ100は、各列の始点および終点を記憶し、サンプル170の縁部に対して、たとえば45度に傾斜された互いに平行な列に沿って、図1bに示す手順を実行することができる。サンプル170の縁部に対して他の角度（たとえば、60度、30度など）に傾斜された互いに平行な各列に沿ってサンプル170に照射することもできる。
【００２９】
図７に示す本発明による方法の他の例示的な実施形態では、サンプル170はいくつかの列として概念的に細区分される。サンプル170を細区分した後、（図1bに示す実施形態と同様に）最初に第１の位置20に入射するパルス・ビームレット164が生成されるように、（コンピュータ100を使用してエキサイマ・レーザを作動させるか、あるいはシャッタ130を開放することによって）パルス・レーザ光線140をオンにすることができる。次いで、サンプル170が、第１のビーム経路700内のパルス・ビームレット164に対する所定のサンプル並進速度Vpredに達するように、コンピュータ100の制御の下でＹ方向に並進させられ加速される。パルス・ビームレット164（およびビームレット）は、パルス・レーザ光線149に対するサンプル170の移動速度が所定の速度Vpredに達したときにサンプル170の上縁部10’に到達する。次いで、サンプル170は、パルス・ビームレット164が第２のビーム経路705の全長にわたってサンプル170を照射するように、所定の速度VpredでＹ方向に連続的に（すなわち、停止せずに）かつ順次並進させられる。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”に到達すると、サンプル170の並進が、第2の位置715に達するように（第３のビーム経路710内の）パルス・ビームレット164に対して減速される。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”を通過した後、第２のビーム経路705に沿ったサンプル170全体が完全に溶融し、次に凝固する。
【００３０】
サンプル170は、Ｘ方向に微並進することなしに、逆Ｙ方向にサンプル170の上縁部10’の方へ並進させられる。具体的には、サンプル170は、その下縁部10”に到達する前に所定のサンプル並進速度Vpredに達するように、コンピュータ100の制御の下で第４のビーム経路720に沿って負のＹ方向に加速される。次いで、サンプル170は、パルス・ビームレット164が第５ビーム経路725の全長に沿って（第２のビーム経路705の経路に沿って）サンプル170を連続的にかつ順次照射するように、所定の速度Vpredで負のＹ方向に連続的に（すなわち、停止せずに）並進させられる。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”に到達すると、ビームレット164が第１の位置20に入射するまでサンプル170の並進が（第６のビーム経路730内の）パルス・ビームレット164に対して減速される。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”を通過した後、第２のビーム経路705に沿って照射されたサンプル170全体が完全に溶融し、次に凝固する。したがって、このパスが完了すると、第５のビーム経路725に対応するサンプル170の表面が部分的に溶融し再凝固する。このように、結果として得られる膜表面をさらに平滑化することができる。また、この技法を使用すれば、パルス・レーザ光線149および（パルス・ビームレット164）のエネルギー出力を低減させ膜の表面を効果的に平滑化することができる。図1bの技法と同様に、サンプル170の照射された領域に、粒子境界を制御された多結晶シリコン薄膜領域540が形成される。多結晶シリコン薄膜領域540の一部が図5bに示されている。粒子境界を制御されたこの多結晶シリコン薄膜領域540は、第２および第５の照射ビーム経路702、705の全長にわたって延びる。この場合も、パルス・ビームレット164が、サンプル170の下縁部10”を横切り、もはやサンプル170を照射しなくなった後、パルス・レーザ光線149を遮断する必要がないことに留意されたい。
【００３１】
その後、サンプル170は、パルス・ビームレットが第３の位置740に入射するまで第７のビーム経路735に沿ってＸ方向に所定の距離にわたって微並進させられ（たとえば、3マイクロメートル）、次いで第８のビーム経路745に沿ってパルス・ビームレット164に対する所定の並進速度に達するように、コンピュータ100の制御の下で順Ｙ方向に（サンプル170の下縁部10”の方へ）加速される。パルス・ビームレット164は、それに対するサンプル170の並進速度が所定の速度Vpredに達したときにサンプル170の上縁部10’に到達する。次いで、サンプル170は、パルス・ビームレット164が第９のビーム経路55の全長にわたってサンプル170を連続的にかつ順次照射するように所定の速度Vpredで順Ｙ方向に連続的に（すなわち、停止せずに）並進させられる。パルス・ビームレット164がサンプル170の下縁部10”に到達すると、パルス・ビームレット164が第５の位置765に入射するまで、サンプル170の並進が（第10のビーム経路760内の）パルス・ビームレット164に対して減速される。パルス・ビームレット164が、サンプル170の下縁部10”を横切った後、第９のビーム経路750に沿って照射されたサンプル170全体が完全に溶融し、次に再凝固することに留意されたい。
【００３２】
その後、微並進なしで、サンプル170の並進方向が（ビーム経路770、775、780を介して）再び反転され、サンプル170を所定の速度Vpredで（やはり第９のビーム経路750に沿って延びる）逆Ｙ方向に連続的に並進させることによって、サンプル170のこれらの経路がそれぞれ、連続的にかつ順次照射される。したがって、このパスが完了すると、ビーム経路775に対応するサンプル170の表面が部分的に溶融し再凝固する。これらの経路745〜780の表面は、順Ｙ方向および逆Ｙ方向の並進と、（微並進なしの）サンプル170の同じビーム経路に沿った照射によって平滑化される。このような手順の最終生成物として、平坦な（あるいはより平坦な）表面を有する、大きな粒子で構成され粒子境界を制御された結晶化構造が、サンプル170の列全体に沿って生成される。
【００３３】
次いで、サンプル170は、ビームレットが他のビーム経路785を介して第５の位置790に入射するまで次の列（すなわち、第２の６）に移動させられ、パルス・ビームレット164が第５の位置790に入射する位置にサンプル170が移動させられたときにサンプル170およびステージ180の振動が発生した場合にはそれを減衰させるように静止させることができる。この手順は、上記で説明し図1bに示した手順と同様にサンプル170のすべての列について繰り返される。
【００３４】
次に、図８を参照し、図1bおよび／または図７に示す手順によって実施されるシリコン薄膜結晶化成長方法を制御するためにコンピュータ100コンピュータによって実行される各ステップについて以下に説明する。たとえば、図１に示すシステムの様々な電子機器が、プロセスを開始するようにステップ1000でコンピュータ100によって初期設定される。次いで、ステップ1005で、基板上の アモルファスシリコン薄膜サンプル170がサンプル並進ステージ180上に載せられる。サンプルをステージ上にこのように載せることを手動で実施することも、あるいはコンピュータ100の制御の下でロボットによって実施することもできることに留意されたい。次に、ステップ1015で、サンプル並進ステージ180が初期位置に移動させされる。ステップ1015には、サンプル170上の基準微細形状に対する位置合わせを含めることができる。ステップ1020で、必要に応じてシステムの様々な光学要素が調整され合焦される。次いで、ステップ1025で、実施すべき特定の処理に従って、サンプルに入射する各パルス・ビームレットの断面積にわたってアモルファスシリコン・サンプルを完全に溶融させる必要に応じて、レーザが所望のエネルギー・レベルおよびパルス繰返し率で安定化される。ステップ1030で、必要に応じてパルス・ビームレット164の減衰が調整される。
【００３５】
次に、ステップ1035で、シャッタを開放し（あるいはコンピュータが作動してパルス・レーザ光線149をオンにし）、サンプル170にパルス・ビームレット164を照射し、したがって、図1bおよび図７に示す連続運動順次横方向凝固を開始することができる。サンプルがＹ方向に連続的に並進させられ、同時に、サンプル（たとえば、第２のビーム経路30に沿ったサンプル）の第１のビーム経路が連続的にかつ順次照射される（ステップ1040）。サンプル170が所定の速度VpredでＹ方向に連続的に並進させられ、同時に、サンプル（たとえば、第６のビーム経路55に沿ったサンプル）の第２のビーム経路が順次かつ連続的に照射される（ステップ1045）。図1bに関しては、上記のことは、サンプル170を第２のビーム経路30に沿って連続的に並進させ、同時に、サンプル170を連続的にかつ順次照射し、次いで第３のビーム経路35に沿って減速し、サンプル170を第４のビーム経路45に沿ってＸ方向に沿って微並進させ、サンプル170が静止するのを待ち、第５のビーム経路50に沿って加速し、次いでサンプル170を第６のビーム経路55に沿って連続的に並進させ、同時に、サンプル170を連続的にかつ順次照射することとみなすことができる。このように、サンプル170の列全体が順次照射される。サンプル170の現在の列のある部分が照射されない場合、コンピュータ100は、まだ照射されていないサンプル170の現在の列の他の部分が照射されるように、サンプル170を特定の方向に所定の速度Vpredで連続的に並進するように制御する（ステップ1055）。
【００３６】
次いで、サンプル170のある領域の結晶化が完了した場合、ステップ1065、1066でサンプルがパルス・ビームレット164に対して再位置決めされ（すなわち、次の列または行、すなわち第２の列６に移動させられ）、新しい経路上で結晶化プロセスが繰り返される。結晶化が指定されている経路が他にない場合、ステップ1070でレーザが遮断され、ステップ1075でハードウェアが停止され、ステップ1080でプロセスが完了する。もちろん、追加のサンプルの処理が必要であるか、あるいは本発明をバッチ処理に使用する場合、各サンプルに対してステップ1005、1010、および1035ないし1065を繰り返すことができる。当業者には、サンプルをＸ方向に連続的に並進させ、Ｙ方向に微並進させることもできることが理解されよう。実際には、パルス・ビームレット164の走行経路が互いに平行で連続的であり、サンプル170の１つの縁部からサンプル170の他の縁部へ延びるかぎり、サンプル170を任意の方向に連続的に並進させることが可能である。
【００３７】
前述のことは、本発明の原則を示しているに過ぎない。当業者には、本明細書の教示に鑑みて上述の実施形態に対する様々な修正形態および変更形態が明らかになろう。たとえば、このアモルファスシリコン膜サンプルまたは多結晶シリコン膜サンプル170を、このようなシリコン膜の所定のアイランドを有するサンプルで置き換えることができる。また、上記の例示的な実施形態は、レーザ光線が固定され、好ましくは走査できないレーザ・システムについて説明したが、本発明による方法およびシステムが、固定サンプルの経路に沿って一定の速度で偏向できるパルス・レーザ光線を使用できることを認識されたい。したがって、当業者には、本発明で明示的に図示も説明もしていないにもかかわらず、本発明の原則を実現し、したがって本発明の趣旨および範囲内である多数のシステムおよび方法を構想できることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図1ａは、本発明による連続運動凝固横方向凝固（「ＳＬＳ」）を行うシステムの例示的な実施形態の図である。
図1ｂは、図1aのシステムによって使用できる連続運動ＳＬＳを実現する本発明による方法の実施形態を示す図である。
【図２】 図2ａは、点線パターンを有するマスクの図である。
図2ｂは、図1aのシステムで図2aに示すマスクを使用した結果として得られた結晶化シリコン膜の一部の図である。
【図３】 図3ａは、山形パターンを有するマスクの図である。
図3ｂは、図1aのシステムで図3aに示すマスクを使用した結果として得られた結晶化シリコン膜の一部の図である。
【図４】 図4ａは、線パターンを有するマスクの図である。
図4ｂは、図1aのシステムで図4aに示すマスクを使用した結果として得られた結晶化シリコン膜の一部の図である。
【図５】 図5ａは、線パターンを有するマスクを使用したシリコン・サンプルの照射領域の一部を示す例示的な図である。
図5ｂは、最初の照射およびサンプルの並進が行われ、図1bに示す方法における単一のレーザ・パルスが与えられた後の、線パターンを有するマスクを使用したシリコン・サンプルの照射領域の一部の例示的な図である。
図5ｃは、図1bに示す方法を使用して生成された、第２の照射が行われた後の結晶化シリコン膜の一部の例示的な図である。
【図６】 図6ａは、斜線パターンを有するマスクを示す図である。
図6ｂは、図1aのシステムで図6aに示すマスクを使用した結果として得られた結晶化シリコン膜の一部の図である。
【図７】 図1aのシステムによって使用できる連続運動ＳＬＳを実現する本発明による方法の他の実施形態を示す図である。
【図８】 図1aに示す方法によって実施される各ステップを示すフロー図である。

Claims (18)

  1. 第１の縁部および第２の縁部を有するシリコン薄膜サンプルを処理して結晶シリコン薄膜を作製する方法であって、
    （ａ）レーザ光線発生装置を複数のレーザビームパルスを放出するように制御するステップと、
    （ｂ）各ビームレットが、膜サンプルに入射し、かつ膜サンプルを溶融させるのに十分な強度を有する、パターン化された複数のビームレットを生成するようにレーザビームパルスの一部をマスクするステップであって、前記各ビームレットが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間の第１の経路に沿って、前記パターン化された複数のビームレットのそれぞれに対応する領域を持って、ある角度で前記膜サンプルに入射するように、前記レーザビームパルスの一部をマスクするステップと、
    （ｃ）パターン化された複数のビームレットが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間の前記第１の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を順次照射し、各々の照射後、膜サンプルは再凝固し、前記第１の経路に沿って第１の結晶化領域を形成するように、膜サンプルを第１の一定の所定の速度で連続的に走査するステップと、
    （ｄ）パターン化された複数のビームレットが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間の、前記第１の経路と所定の距離を隔てた第２の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を順次照射し、各々の照射後、膜サンプルは再凝固し、前記第２の経路に沿って第２の結晶化領域を形成し、第２の結晶化領域は第１の結晶化領域から横方向に成長した結晶によって形成されるように、膜サンプルを第２の一定の所定の速度で連続的に走査するステップとを含む方法。
  2. 前記第１の経路が前記第２の経路に平行であり、ステップ（ｃ）で、膜サンプルが第１の方向に連続的に走査され、ステップ（ｄ）で、膜サンプルが第２の方向に連続的に走査され、第１の方向が第２の方向と逆であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の縁部が、膜サンプルの、前記第２の縁部が位置する側の反対側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. （ｅ）ステップ（ｄ）の前に、パターン化されたビームレットが膜サンプルに対して膜サンプルの境界の外側にある第１の位置に入射するように膜サンプルを位置決めするステップと、
    （ｆ）ステップ（ｅ）が終了してからステップ（ｄ）が開始するまでに、パターン化されたビームレットの入射が前記第１の位置から第２の位置へ移動するように膜サンプルを微並進させるステップとをさらに含み、
    ステップ（ｄ）が、パターン化されたビームレットが前記第２の位置に入射したときに開始されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. （ｇ）ステップ（ｄ）の後で、パターン化されたビームレットが膜サンプルの境界の外側にある第３の位置に入射するように膜サンプルを位置決めするステップと、
    （ｈ）ステップ（ｇ）の後で、パターン化されたビームレットの入射が前記第３の位置から、膜サンプルの境界の外側にある第４の位置へ移動するように膜サンプルを移動させるステップと、
    （ｉ）ステップ（ｈ）の後で、膜サンプルの振動が減衰されるまで、パターン化されたビームレットが前記第４の位置に入射するように膜サンプルを維持するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. （ｊ）ステップ（ｉ）の後で、膜サンプル上のパターン化されたビームレットのそれぞれの第３および第４の経路についてステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. ステップ（ｃ）で、膜サンプルが第１の方向に連続的に走査され、
    ステップ（ｄ）で、膜サンプルが第２の方向に連続的に走査され、
    （ｋ）ステップ（ｃ）の後で、パターン化されたビームレットが第１の位置に到達するように前記第１の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射するように、膜サンプルを第１の一定の所定の速度で第１の方向とは逆の方向に連続的に走査するステップと、
    （ｌ）ステップ（ｋ）が終了してからステップ（ｄ）が開始するまでに、パターン化されたビームレットの入射が前記第１の位置から、膜サンプルの境界の外側にある第２の位置へ移動するように膜サンプルを微並進させるステップと、
    （ｍ）ステップ（ｌ）および（ｄ）の後で、パターン化されたビームレットが前記第２の位置に到達するように前記第２の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射するように、膜サンプルを第２の一定の所定の速度で第２の方向とは逆の方向に連続的に走査するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. （ｎ）ステップ（ｍ）の後で、パターン化されたビームレットの入射が、膜サンプルの境界の外側から、前記第２の位置から第３の位置へ移動するように膜サンプルを移動させるステップと、
    （ｏ）膜サンプルの振動が減衰されるまで、パターン化されたビームレットが前記第３の位置に入射するように膜サンプルを維持するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. （ｐ）ステップ（ｏ）の後で、パターン化されたビームレットが膜サンプルのそれぞれの第３および第４の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射するようにステップ（ｃ）、（ｄ）、（ｋ）、（ｌ）、および（ｍ）を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 第１の縁部および第２の縁部を有する多結晶シリコン薄膜サンプルを結晶薄膜に変換するシステムであって、
    コンピュータ・プログラムを記憶するメモリと、
    （ａ）レーザ光線発生装置を複数のレーザビームパルスを放出するように制御するステップ、
    （ｂ）各ビームレットが、膜サンプルに入射し、かつ膜サンプルを溶融させるのに十分な強度を有する、パターン化された複数のビームレットを生成するように複数のレーザビームパルスの一部をマスクするステップであって、前記各ビームレットが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間の第１の経路に沿って、前記パターン化された複数のビームレットのそれぞれに対応する領域を持って、ある角度で前記膜サンプルに入射するように、前記レーザビームパルスの一部をマスクするステップ、
    （ｃ）パターン化された複数のビームレットが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間の第１の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射し、各々の照射後、膜サンプルは再凝固し、前記第１の経路に沿って第１の結晶化領域を形成するように、膜サンプルを第１の一定の所定の速度で連続的に走査するステップ、および
    （ｄ）パターン化された複数のビームレットが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間の、前記第１の経路と所定の距離を隔てた第２の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射し、各々の照射後、膜サンプルは再凝固し、前記第２の経路に沿って第２の結晶化領域を形成し、第２の結晶化領域は第１の結晶化領域から横方向に成長した結晶によって形成されるように、膜サンプルを第２の一定の所定の速度で連続的に走査するステップを実行するようにコンピュータ・プログラムを実行する処理装置とを備えるシステム。
  11. 前記第１の経路が前記第２の経路に平行であり、
    処理装置が、ステップ（ｃ）を実行する間に、膜サンプルを第１の方向に連続的に走査させ、
    処理装置が、ステップ（ｄ）を実行する間に、膜サンプルを第２の方向に連続的に走査させ、前記第１の方向が前記第２の方向と逆である、請求項１０に記載のシステム。
  12. 前記第１の縁部が、膜サンプルの、前記第２の縁部が位置する側の反対側に位置していることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
  13. 処理装置が、
    （ｅ）ステップ（ｄ）の前に、パターン化されたビームレットが膜サンプルに対して膜サンプルの境界の外側にある第１の位置に入射するように膜サンプルを位置決めするステップと、
    （ｆ）ステップ（ｅ）が終了してからステップ（ｄ）が開始するまでに、パターン化されたビームレットの入射が前記第１の位置から第２の位置へ移動するように膜サンプルを微並進させるステップの各追加ステップを実行し、
    処理装置が、パターン化されたビームレットが最初に前記第２の位置に入射するようにステップ（ｄ）を実行することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
  14. 処理装置が、
    （ｇ）ステップ（ｄ）の後で、パターン化されたビームレットが膜サンプルの境界の外側にある第３の位置に入射するように膜サンプルを位置決めするステップと、
    （ｈ）ステップ（ｇ）の後で、パターン化されたビームレットの入射が前記第３の位置から、膜サンプルの境界の外側にある第４の位置へ移動するように膜サンプルを移動させるステップと、
    （ｉ）ステップ（ｈ）の後で、膜サンプルの振動が減衰されるまで、パターン化されたビームレットが前記第４の位置に入射するように膜サンプルを維持するステップの各追加ステップを実行することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  15. 処理装置が、
    （ｊ）ステップ（ｉ）の後で、膜サンプル上のそれぞれの第３および第４の経路に沿ったパターン化されたビームレットの順次照射に対してステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返す追加ステップを実行することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
  16. 処理装置が、ステップ（ｃ）を実行する間に、膜サンプルを第１の方向に連続的に並進させ、
    処理装置が、ステップ（ｄ）を実行する間に、膜サンプルを第２の方向に連続的に並進させ、
    処理装置が、
    （ｋ）ステップ（ｃ）の後で、パターン化されたビームレットが第１の位置に到達するように前記第１の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射するように、膜サンプルを第１の一定の所定の速度で前記第１の方向とは逆の方向に連続的に走査するステップと、
    （ｌ）ステップ（ｋ）が終了してからステップ（ｄ）が開始するまでに、パターン化されたビームレットの入射が前記第１の位置から、膜サンプルの境界の外側にある第２の位置へ移動するように膜サンプルを微並進させるステップと、
    （ｍ）ステップ（ｌ）および（ｄ）の後で、パターン化されたビームレットが前記第２の位置に到達するように前記第２の経路に沿って膜サンプルの連続する部分を照射するように、膜サンプルを第２の一定の所定の速度で前記第２の方向とは逆の方向に連続的に走査するステップの各追加ステップを実行することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
  17. 処理装置が、
    （ｎ）ステップ（ｍ）の後で、パターン化されたビームレットの入射が、膜サンプルの境界の外側から、前記第２の位置から第３の位置へ移動するように膜サンプルを移動させるステップと、
    （ｏ）膜サンプルの振動が減衰されるまで、パターン化されたビームレットが前記第３の位置に入射するように膜サンプルを維持するステップの各追加ステップを実行することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
  18. 処理装置が、
    （ｐ）ステップ（ｏ）の後で、パターン化されたビームレットが膜サンプルのそれぞれの第３および第４の経路に沿って膜サンプルの連続する領域を照射するようにステップ（ｃ）、（ｄ）、（ｋ）、（ｌ）、および（ｍ）を繰り返す追加ステップを実行することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
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