JP5922549B2 - Crystal semiconductor film manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents

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Description

この発明は、半導体膜上に、断面長方形形状のパルスレーザを複数回照射（オーバラップ照射）しつつ移動させて非晶質膜の結晶化や結晶膜の改質を行う結晶半導体膜の製造方法および製造装置に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a crystalline semiconductor film in which a semiconductor laser is crystallized or modified by moving a pulse laser having a rectangular cross section while being irradiated with a plurality of times (overlap irradiation). And a manufacturing apparatus.

一般的にＴＶやＰＣディスプレイで用いられている薄膜トランジスタは、アモルファス（非結晶）シリコン（以降ａ−シリコンという）により構成されているが、何らかの手段でシリコンを結晶化（以降ｐ−シリコンという）して利用することでＴＦＴとしての性能を格段に向上させることができる。現在は、低温度でのＳｉ結晶化プロセスとしてエキシマレーザアニール技術がすでに実用化されており、スマートフォン等の小型ディスプレイ向け用途で頻繁に利用されており、さらに大画面ディスプレイなどへの実用化がなされている。   Thin film transistors generally used in TVs and PC displays are composed of amorphous (non-crystalline) silicon (hereinafter referred to as a-silicon), but silicon is crystallized (hereinafter referred to as p-silicon) by some means. The performance as a TFT can be remarkably improved. At present, excimer laser annealing technology has already been put into practical use as a Si crystallization process at low temperature, and is frequently used for small displays such as smartphones, and further applied to large screen displays. ing.

このレーザアニール法では、高いパルスエネルギーを持つエキシマレーザを非結晶半導体膜に照射することで、光エネルギーを吸収した半導体が溶融または半溶融状態になり、その後冷却され凝固する際に結晶化する仕組みである。この際には、広い領域を処理するために、ラインビーム形状に整形したパルスレーザを相対的に短軸方向に走査しながら照射する。通常は、非結晶半導体膜を設置した設置台を移動させることでパルスレーザの走査が行われる。
上記パルスレーザの走査においては、非結晶半導体膜の同一位置にパルスレーザが複数回照射（オーバーラップ照射）させるように、所定のピッチでパルスレーザを走査方向に移動させている。それにより、サイズの大きい半導体膜のレーザアニール処理を可能にしている。 In this laser annealing method, by irradiating an amorphous semiconductor film with an excimer laser with high pulse energy, the semiconductor that absorbed the light energy becomes molten or semi-molten, and then crystallizes when cooled and solidified. It is. At this time, in order to process a wide area, a pulse laser shaped into a line beam shape is irradiated while scanning in a relatively short axis direction. Usually, scanning with a pulsed laser is performed by moving an installation table on which an amorphous semiconductor film is installed.
In the scanning with the pulse laser, the pulse laser is moved in the scanning direction at a predetermined pitch so that the same position of the amorphous semiconductor film is irradiated with the pulse laser a plurality of times (overlap irradiation). Thereby, a laser annealing process of a semiconductor film having a large size is enabled.

そして、従来のラインビームを用いたレーザアニール処理では、レーザパルスの走査方向のビーム幅を例えば０．３５〜０．４ｍｍ程度に固定し、パルス毎の基板送り量をビーム幅の３％〜８％程度に設定しており、複数の薄膜トランジスタの性能の均一性を確保するには、レーザの照射回数をできるだけ増やすことが必要であると考えられている。
例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）用の半導体膜では、オーバーラップ率を９２〜９５％（照射回数１２〜２０回、ビーム幅が０．４ｍｍの場合には走査ピッチ３２〜２０μｍ）、ＯＬＥＤ（Organic light-Emitting Diode）用の半導体膜では、オーバーラップ率９３．８〜９７％（照射回数１６〜３３回、ビーム幅が０．４ｍｍの場合は走査ピッチ２５〜１２μｍ）に設定している。 In the laser annealing process using the conventional line beam, the beam width in the scanning direction of the laser pulse is fixed to about 0.35 to 0.4 mm, for example, and the substrate feed amount for each pulse is set to 3% to 8% of the beam width. It is considered that it is necessary to increase the number of times of laser irradiation as much as possible in order to ensure the uniformity of the performance of a plurality of thin film transistors.
For example, in a semiconductor film for LCD (Liquid Crystal Display), the overlap rate is 92 to 95% (12 to 20 times of irradiation, scanning pitch is 32 to 20 μm when the beam width is 0.4 mm), OLED (Organic) In the semiconductor film for light-emitting diodes, the overlap rate is set to 93.8 to 97% (the number of irradiations is 16 to 33 times, and the scanning pitch is 25 to 12 μm when the beam width is 0.4 mm).

このようなレーザアニール処理では、通常は、ビーム断面の強度分布を平坦形状にして短軸方向、長軸方向の処理の均一性を図っている。これに対し、特許文献１では、レーザのエネルギーのバラツキに従って、結晶化不良領域が生成されるとして、十分な結晶化処理後に、より低いエネルギーでレーザを照射することで、十分な結晶あるいは活性化が成された部分を維持しながらエネルギー強度のバラツキによって膜質が悪化した部分の再結晶化あるいは再活性化を行う方法が提案されている。   In such a laser annealing process, normally, the intensity distribution of the beam cross section is made flat to achieve uniformity in the process in the minor axis direction and the major axis direction. On the other hand, in Patent Document 1, it is assumed that a poorly crystallized region is generated according to the variation in laser energy, and sufficient crystal or activation is achieved by irradiating the laser with lower energy after sufficient crystallization treatment. There has been proposed a method of recrystallizing or reactivating a portion where the film quality has deteriorated due to the variation in energy intensity while maintaining the portion where the film is formed.

特開平１０−１２５４８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-12548

特許文献１で課題とされているレーザエネルギーのバラツキは、レーザ光源の出力のバラツキに起因するものである。このレーザ光源の出力のバラツキは、発振回路の改良やレーザ光源そのものの改良などにより相当な改善がなされてきており、出力のバラツキに起因する結晶化の不良という課題は次第に小さいものになっている。しかも多数回のオーバーラップによれば、同一の照射面にはパルスレーザが重畳して何回も照射されるため、出力のバラツキによって生じた結晶化不良領域が再溶融して結晶化され、不良領域の解消が図られる。   The variation in laser energy, which is a problem in Patent Document 1, is caused by the variation in the output of the laser light source. The variation in the output of the laser light source has been considerably improved by improving the oscillation circuit, the laser light source itself, and the like, and the problem of crystallization failure due to the variation in the output is gradually becoming smaller. . Moreover, due to the multiple overlaps, the same irradiated surface is irradiated with the pulse laser several times, so that the defective crystallization region caused by the output variation is remelted and crystallized, resulting in a defect. The area can be eliminated.

しかし、本発明者らの注意深い観察によれば、現状でもパルスレーザの照射によって結晶化された半導体には照射ムラが認められ、これが原因になってデバイスとした際に性能に影響が生じていることが分かっている。
本願発明者らの研究によれば、上記照射ムラは、ラインビームの走査方向（通常は短軸方向）のエッジ部（走査方向後端側）にポリシリコン膜の盛り上がりが形成されることが原因と考えられる。この部分はレーザ照射による半導体膜の溶融部とレーザが照射されておらず固体のままである部分の境目に相当する。この盛り上がりは、照射エネルギーの強度に比例して大きくなると考えられる。すなわち、照射エネルギーが大きくなるに従い半導体膜の膜厚方向に溶融が進み、また膜全体が溶融した後も液体となった半導体膜層の温度が増大する。この液相部分が温度低下に伴い結晶化する際に、より先行して温度が低下し始める固液界面すなわちラインビーム短軸エッジ部に液体が吸い寄せられつつ固化するため、盛り上がりが生じると考えられる。また、レーザのエネルギー変動、ラインビーム短軸形状の変化、ビームに対して相対移動する半導体膜の位置の乱れなどが、前記「盛り上がり部」の高さや間隔の乱れとなって照射ムラと認知される。
したがって、照射エネルギー密度を低くしてパルスレーザを照射すれば上記照射ムラを低減できることになるが、そのためには同一の照射面上により多くの照射回数でレーザを照射する必要があり、生産効率が悪くなる。また、照射パルスエネルギー密度が低くなりすぎると、結晶粒径が十分に大きくならないという問題が生じる。 However, according to the careful observations of the present inventors, even in the present situation, the semiconductor crystallized by the irradiation of the pulsed laser has an irradiation unevenness, and this causes the performance when it is used as a device. I know that.
According to the study by the inventors of the present application, the irradiation unevenness is caused by the formation of the bulge of the polysilicon film at the edge portion (the rear end side in the scanning direction) of the line beam in the scanning direction (usually the short axis direction). it is conceivable that. This portion corresponds to the boundary between the melted portion of the semiconductor film by laser irradiation and the portion that is not irradiated with the laser and remains solid. This rise is considered to increase in proportion to the intensity of irradiation energy. That is, as the irradiation energy increases, melting progresses in the film thickness direction of the semiconductor film, and the temperature of the semiconductor film layer that becomes liquid increases even after the entire film has melted. When this liquid phase part is crystallized as the temperature decreases, the liquid is solidified while being sucked to the solid-liquid interface, that is, the edge of the short axis of the line beam, so that the swell is considered to occur. . In addition, fluctuations in the laser energy, changes in the shape of the short axis of the line beam, disturbances in the position of the semiconductor film that moves relative to the beam, etc. are recognized as irradiation unevenness as disturbances in the height and spacing of the above-mentioned `` protruding part ''. The
Therefore, if the irradiation energy density is lowered and the pulse laser is irradiated, the irradiation unevenness can be reduced. For this purpose, it is necessary to irradiate the laser on the same irradiation surface more times, and the production efficiency is improved. Deteriorate. Further, if the irradiation pulse energy density becomes too low, there arises a problem that the crystal grain size does not become sufficiently large.

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、生産性の低下を極力抑えた上でパルスレーザの走査方向エッジ部による半導体膜上の照射ムラを解消することができる結晶半導体膜の製造方法および製造装置を提供することを目的の１つとする。   The present invention has been made against the background of the above circumstances, and manufacture of a crystalline semiconductor film that can eliminate unevenness of irradiation on the semiconductor film due to an edge portion in the scanning direction of the pulse laser while suppressing a decrease in productivity as much as possible. An object is to provide a method and a manufacturing apparatus.

すなわち、本発明の結晶半導体膜の製造方法のうち、第１の本発明は、非単結晶半導体膜上に、パルスレーザを短軸方向に相対的に走査しつつオーバーラップ照射して結晶化を行う結晶半導体膜の製造方法において、
前記パルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギー密度よりも低く、かつ複数回数Ｎ回の照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度をＥ０として、
前記照射パルスエネルギー密度Ｅ０と同じ照射パルスエネルギー密度Ｅ１で前記パルスレーザが複数回数Ｎ１回照射される第１ステップと、
前記第１ステップ後に、前記照射パルスエネルギー密度Ｅ１よりも低く、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上となる照射パルスエネルギーＥ２で前記パルスレーザが複数回数Ｎ２回照射される第２ステップとを有し、
同一照射面に対する前記第１ステップと前記第２ステップにおける合計照射回数（Ｎ１回＋Ｎ２回）がＮ回以上であることを特徴とする。 That is, in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to the present invention, the first aspect of the present invention is to crystallize a non-single crystal semiconductor film by overlapping irradiation while relatively scanning a pulse laser in the minor axis direction. In the method for manufacturing a crystalline semiconductor film,
E0 is an irradiation pulse energy density that is lower than an irradiation pulse energy density at which microcrystallization occurs in the non-single-crystal semiconductor film by the irradiation of the pulse laser and suitable for crystallization by a plurality of N times of irradiation.
A first step in which the pulse laser is irradiated N1 times a plurality of times at the same irradiation pulse energy density E1 as the irradiation pulse energy density E0;
After the first step, the second step of irradiating the pulse laser a plurality of times N2 with an irradiation pulse energy E2 lower than the irradiation pulse energy density E1 and higher than an irradiation energy density necessary for remelting the crystal. And
The total number of irradiations (N1 times + N2 times) in the first step and the second step with respect to the same irradiation surface is N times or more.

第２の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１の本発明において、前記結晶化に適した照射パルスエネルギーが、複数回数Ｎ回の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギー密度Ｅとして、Ｅ×０．９８〜Ｅ×１．０３の範囲内であることを特徴とする。   The method for producing a crystalline semiconductor film according to the second aspect of the present invention is the irradiation pulse energy according to the first aspect of the present invention, wherein the irradiation pulse energy suitable for the crystallization is such that the crystal grain size growth is saturated by N times of irradiation a plurality of times. The density E is in the range of E × 0.98 to E × 1.03.

第３の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１または第２の本発明において、前記照射パルスエネルギー密度Ｅ２がＥ１×０．９５以上であることを特徴とする。   The method for producing a crystalline semiconductor film according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect of the present invention, the irradiation pulse energy density E2 is E1 × 0.95 or more.

第４の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記合計照射回数がＮ×１．５以下であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a crystalline semiconductor film according to any one of the first to third aspects, wherein the total number of irradiations is N × 1.5 or less.

第５の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１〜第４のいずれかに記載の本発明において、前記Ｎ１を前記Ｎ２以上の回数にすることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a crystalline semiconductor film according to any one of the first to fourth aspects, wherein the N1 is set equal to or greater than the N2.

第６の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記パルスレーザの波長が４００ｎｍ以下であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a crystalline semiconductor film according to any one of the first to fifth aspects, wherein the pulsed laser has a wavelength of 400 nm or less.

第７の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記パルスレーザの半値幅が２００ｎｓ以下であることを特徴とする。 The method for producing a crystalline semiconductor film according to a seventh aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to sixth aspects of the present invention, the half width of the pulse laser is 200 ns or less.

第８の本発明の結晶半導体膜の製造方法は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記非単結晶半導体がシリコンであることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a crystalline semiconductor film according to any one of the first to seventh aspects, wherein the non-single-crystal semiconductor is silicon.

第９の本発明の結晶半導体膜の製造装置は、パルスレーザを出力する１または２以上のレーザ光源と、
前記パルスレーザを整形して非単結晶半導体に導く光学系と、
前記パルスレーザの照射エネルギー密度を調整するエネルギー調整部と、
前記パルスレーザを前記非単結晶半導体に対し相対的に走査する走査装置と、
前記レーザ光源、前記エネルギー調整部および前記走査装置を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記エネルギー調整部を制御してパルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギー密度よりも低く、かつ複数回数Ｎ回の照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度Ｅ０と同じ照射パルスエネルギー密度Ｅ１に調整し、該照射パルスエネルギー密度Ｅ１で前記走査装置を制御して前記パルスレーザを走査しつつ前記非単結晶半導体に対しＮ１回（但しＮ１＜Ｎ）の複数回照射を順次行う第１ステップと、第１ステップで前記パルスレーザがＮ１回照射された半導体に、前記エネルギー調整部を制御して前記照射パルスエネルギー密度Ｅ１よりも低く、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上の照射パルスエネルギーＥ２に調整し、該照射パルスエネルギー密度Ｅ２で前記走査装置を制御して前記パルスレーザを走査しつつ前記非単結晶半導体に対しＮ２回（但し、Ｎ２＜Ｎ、Ｎ１＋Ｎ２≧Ｎ）の複数回照射を順次行う第２ステップとを実行することを特徴とする。 An apparatus for producing a crystalline semiconductor film according to a ninth aspect of the present invention comprises one or more laser light sources that output a pulse laser;
An optical system for shaping the pulsed laser into a non-single crystal semiconductor;
An energy adjusting unit for adjusting the irradiation energy density of the pulse laser;
A scanning device for scanning the pulse laser relative to the non-single crystal semiconductor;
A control unit for controlling the laser light source, the energy adjustment unit and the scanning device,
The control unit controls the energy adjusting unit to be lower than an irradiation pulse energy density at which microcrystallization occurs in the non-single crystal semiconductor film by pulse laser irradiation, and is suitable for crystallization by N times of irradiation a plurality of times. The irradiation pulse energy density E1 is adjusted to the same irradiation pulse energy density E1, and the scanning device is controlled with the irradiation pulse energy density E1 to scan the pulse laser N1 times (however, N1 <N) a first step of sequentially performing a plurality of times of irradiation, and a semiconductor irradiated with the pulse laser N1 times in the first step by controlling the energy adjusting unit to be lower than the irradiation pulse energy density E1, and The irradiation pulse energy is adjusted to an irradiation pulse energy E2 that is higher than the irradiation energy density necessary for the crystal to melt again, and the irradiation pulse energy Performing the second step of sequentially irradiating the non-single crystal semiconductor a plurality of times N2 times (where N2 <N, N1 + N2 ≧ N) while scanning the pulse laser by controlling the scanning device at a degree E2. It is characterized by doing.

第１０の本発明の結晶半導体膜の製造装置は、前記第９の本発明において、前記制御部は、前記結晶化に適した照射パルスエネルギーが、複数回数Ｎ回の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギー密度Ｅとして、Ｅ×０．９８〜Ｅ×１．０３の範囲内に設定されていることを特徴とする。
なお、他の形態の発明として、前記第１のステップによって前記パルスレーザを走査しつつ同一照射面に対するＮ１回の複数回照射を順次行い、その後、前記所定面に対し、前記第２のステップによって前記パルスレーザを走査しつつ同一照射面に対するＮ２回の複数回照射を順次行い、前記Ｎ１＋Ｎ２を前記合計照射回数としてＮ回以上とすることを特徴とする結晶半導体膜の製造方法が示される。
さらに、他の形態の発明として、 パルスレーザを出力する１または２以上のレーザ光源と、
前記パルスレーザを整形して非単結晶半導体に導く光学系と、
前記パルスレーザの走査方向のビーム断面強度分布において、走査方向後端にかけた走査方向後方側の強度が走査方向前方側の強度よりも低く、かつ走査方向後方側の強度による照射パルスエネルギー密度が走査方向前方側の強度による照射パルスエネルギー密度の０．９５倍以上になるように前記強度分布を調整する強度調整部と、
前記パルスレーザの照射エネルギー密度を調整するエネルギー調整部と、
前記パルスレーザを前記非単結晶半導体に対し相対的に走査する走査装置と、
前記レーザ光源、前記エネルギー調整部および前記走査装置を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記エネルギー調整部を制御して、前記パルスレーザの走査方向前方側の照射において前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギー密度よりも低く、かつ複数回数Ｎ回の照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度Ｅ０と同じ照射パルスエネルギー密度Ｅ１になり、前記パルスレーザの走査方向後方側の照射において前記照射パルスエネルギー密度Ｅ１よりも低く、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上の照射パルスエネルギーＥ２になるように調整し、さらに前記走査装置を制御して前記パルスレーザを走査しつつ前記非単結晶半導体に対しＮ回以上の複数回照射を順次行う工程を実行することを特徴とする結晶半導体膜の製造装置が示される。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the crystal semiconductor film manufacturing apparatus according to the ninth aspect , wherein the control unit is configured such that the irradiation pulse energy suitable for the crystallization causes a crystal grain size growth by irradiation N times a plurality of times. The saturated irradiation pulse energy density E is set within a range of E × 0.98 to E × 1.03.
As another aspect of the invention, N1 multiple times of irradiation are sequentially performed on the same irradiation surface while scanning the pulse laser in the first step, and then the predetermined surface is subjected to the second step. A method of manufacturing a crystalline semiconductor film is described, wherein the same irradiation surface is irradiated with a plurality of N2 times sequentially while scanning the pulse laser, and the N1 + N2 is set to N times or more as the total number of irradiations.
Furthermore, as another aspect of the invention, one or more laser light sources that output a pulse laser;
An optical system for shaping the pulsed laser into a non-single crystal semiconductor;
In the beam cross-sectional intensity distribution in the scanning direction of the pulse laser, the intensity on the rear side in the scanning direction applied to the rear end in the scanning direction is lower than the intensity on the front side in the scanning direction, and the irradiation pulse energy density due to the intensity on the rear side in the scanning direction is scanned. An intensity adjusting unit that adjusts the intensity distribution to be 0.95 times or more of the irradiation pulse energy density due to the intensity on the front side in the direction;
An energy adjusting unit for adjusting the irradiation energy density of the pulse laser;
A scanning device for scanning the pulse laser relative to the non-single crystal semiconductor;
A control unit for controlling the laser light source, the energy adjustment unit and the scanning device,
The control unit controls the energy adjusting unit to be lower than an irradiation pulse energy density at which microcrystallization occurs in the non-single-crystal semiconductor film in irradiation in the scanning direction front side of the pulse laser, and a plurality of times N times. The irradiation pulse energy density E1 is the same as the irradiation pulse energy density E0 suitable for crystallization by irradiation, and is lower than the irradiation pulse energy density E1 in the irradiation on the rear side in the scanning direction of the pulse laser, and the crystal is remelted. Therefore, adjustment is made so that the irradiation pulse energy E2 is equal to or higher than the required irradiation energy density, and the non-single crystal semiconductor is sequentially irradiated with a plurality of N times or more while controlling the scanning device and scanning the pulse laser. An apparatus for manufacturing a crystalline semiconductor film, which is characterized by performing the steps to be performed, is shown.

本発明では、非単結晶半導体膜に対し、Ｎ回照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度でパルスレーザ照射する場合と同様に、第１ステップと第２ステップとで、微結晶が生じないように非単結晶半導体膜を良好に結晶化することができる。しかも、本発明では、パルスレーザのエッジ部による半導体膜上の盛り上がり部の高さを低くすることができる。なお、結晶化は、非単結晶の結晶半導体膜を単結晶にするものであってもよく、また、非晶質半導体膜を多結晶半導体膜にするものであってもよく、非晶質半導体膜を単結晶半導体膜にするものであってもよい。   In the present invention, microcrystals are not generated in the first step and the second step as in the case of irradiating the non-single crystal semiconductor film with the pulse laser energy density suitable for crystallization by N irradiations. As described above, the non-single-crystal semiconductor film can be favorably crystallized. Moreover, in the present invention, the height of the raised portion on the semiconductor film by the edge portion of the pulse laser can be reduced. Note that the crystallization may be performed by converting a non-single-crystal crystalline semiconductor film into a single crystal, or converting an amorphous semiconductor film into a polycrystalline semiconductor film. The film may be a single crystal semiconductor film.

照射パルスエネルギー密度は、半導体膜上のパルスエネルギー密度であり、第１ステップでは、照射パルスエネルギー密度をＮ回照射による結晶化に適した照射エネルギー密度と同じにして照射を行うことができる。これにより第１ステップでは、微結晶化が回避される。なお、第１ステップにおける結晶化に適したエネルギー密度は、結晶化を意図する範囲で適宜選定することができる。例えば、複数回数Ｎ回の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギー密度Ｅと同程度の照射パルスエネルギー密度とすることができる。具体的には、Ｅ×０．９８〜Ｅ×１．０３の範囲が望ましい。ステップ１の照射パルスエネルギー密度がＥ×１．０３を超えると、結晶粒径の粗大化などによるバラツキが生じやすくなる。一方、Ｅ×０．９８未満になると、結晶粒成長が不十分になって結晶粒径のバラツキが生じやすくなる。   The irradiation pulse energy density is a pulse energy density on the semiconductor film. In the first step, irradiation can be performed with the irradiation pulse energy density being the same as the irradiation energy density suitable for crystallization by N irradiations. Thereby, in the first step, microcrystallization is avoided. The energy density suitable for crystallization in the first step can be appropriately selected within the range intended for crystallization. For example, the irradiation pulse energy density can be set to the same level as the irradiation pulse energy density E at which the crystal grain size growth is saturated by N times of multiple times of irradiation. Specifically, a range of E × 0.98 to E × 1.03 is desirable. If the irradiation pulse energy density in step 1 exceeds E × 1.03, variations due to coarsening of the crystal grain size tend to occur. On the other hand, when it is less than E × 0.98, crystal grain growth becomes insufficient, and variations in crystal grain size tend to occur.

また、第２ステップでは照射パルスエネルギー密度Ｅ１以下にし、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上とすることで、第１ステップで生じたパルスレーザのエッジ部による半導体膜上の盛り上がり部の高さを低くするとともに、良好な結晶性を維持することができる。ここで、第２ステップの照射パルスエネルギー密度Ｅ２は、上記条件を満たすことが必要であるが、さらには、Ｅ１×０．９５以上であるのが望ましい。これにより第１ステップおよび第２ステップのパルスレーザ照射後の結晶粒径を均一で十分に結晶が成長したものにすることができる。第２ステップの照射パルスエネルギー密度を低くしすぎると、溶融エネルギー密度域に達しなければ盛り上がりの緩和はできず、また、溶融エネルギー密度域に達していても、盛り上がりの緩和作用は得られても十分な結晶成長が得られず、結晶粒径が小さくなってしまう。
また、照射パルスエネルギー密度Ｅ２は、Ｅ１×０．９８未満とするのが望ましい。照射パルスエネルギー密度Ｅ２が照射パルスエネルギー密度Ｅ１と同等であると、半導体膜上に同等の盛り上がりを再度形成してしまい、盛り上がりの緩和作用が得られない。 Further, in the second step, the irradiation pulse energy density E1 or less and the irradiation energy density necessary for re-melting the crystal are set to be higher than the irradiation energy density necessary for the first step, so that the raised portion on the semiconductor film due to the edge portion of the pulse laser generated in the first step. In addition, the crystallinity can be lowered and good crystallinity can be maintained. Here, the irradiation pulse energy density E2 in the second step needs to satisfy the above-mentioned conditions, but is more preferably E1 × 0.95 or more. Thereby, the crystal grain size after the pulse laser irradiation in the first step and the second step can be made uniform and the crystal can be sufficiently grown. If the irradiation pulse energy density in the second step is too low, the rise cannot be reduced unless the melting energy density range is reached, and even if the melting energy density range is reached, the rise relaxation effect can be obtained. Sufficient crystal growth cannot be obtained, and the crystal grain size becomes small.
Further, it is desirable that the irradiation pulse energy density E2 is less than E1 × 0.98. If the irradiation pulse energy density E2 is equal to the irradiation pulse energy density E1, an equivalent bulge is formed again on the semiconductor film, and the bulge mitigating action cannot be obtained.

また、合計照射回数はＮ回以上とすることで、結晶粒径を十分に成長させることができる。なお、Ｎの数値については特に限定されるものではないが、出力バラツキによる膜質低下を防止するという点では、ある程度の回数が望ましく、例えば８回以上とすることができる。
さらに、合計照射回数はＮ×１．５以下とするのが望ましい。全照射回数を多くすると生産性の低下を招く。生産性の観点で最も望ましい合計照射回数はＮ回であるが、結晶化の状態を勘案して選定することができる。
さらに、第１ステップの照射回数Ｎ１は、第２ステップの照射回数Ｎ２と同じか、多くするのが望ましい。これにより合計照射回数をできるだけ少なくすることができる。 In addition, when the total number of irradiations is N times or more, the crystal grain size can be sufficiently grown. Note that the numerical value of N is not particularly limited, but a certain number of times is desirable in terms of preventing deterioration in film quality due to output variations, for example, eight or more.
Furthermore, the total number of irradiations is desirably N × 1.5 or less. Increasing the total number of irradiations leads to a decrease in productivity. The most desirable total number of irradiations from the viewpoint of productivity is N, but can be selected in consideration of the state of crystallization.
Furthermore, it is desirable that the number of times of irradiation N1 in the first step is the same as or larger than the number of times of irradiation N2 in the second step. Thereby, the total number of irradiations can be reduced as much as possible.

また、本願発明では、パルスレーザの波長は特定のものに限定されないが、例えば４００ｎｍ以下のものを示すことができる。
さらに、本願発明におけるパルスレーザの半値幅は特定のものに限定されないが、例えば２００ｎｓ以下のものを示すことができる。 In the invention of the present application, the wavelength of the pulse laser is not limited to a specific one, but may be, for example, 400 nm or less.
Furthermore, although the half width of the pulse laser in the present invention is not limited to a specific one, it can be, for example, 200 ns or less.

さらに、上記第１ステップ、第２ステップのパルスレーザの照射は、時を異にして非単結晶半導体膜に異なるパルスレーザが照射されるものが挙げられるが、１つのパルスレーザで第１ステップと第２ステップのパルスレーザ照射が行われるものであってもよい。パルスレーザは、二つ以上のパルスレーザが非単結晶半導体膜に同時期に照射されることで擬似的に合成されたものであってもよい。
すなわち、パルスレーザが、走査方向のビーム断面強度分布において、走査方向後端にかけた走査方向後方側が、走査方向前方側の強度よりも低い強度を有しており、前記走査方向前方側で前記強度に従って前記第１ステップの照射がなされ、前記走査方向後方側で前記強度に従って前記第２ステップの照射がなされることになる。 Further, the pulse laser irradiation in the first step and the second step may be performed by irradiating the non-single crystal semiconductor film with a different pulse laser at different times. The pulse laser irradiation of the second step may be performed. The pulse laser may be synthesized in a pseudo manner by irradiating two or more pulse lasers onto the non-single-crystal semiconductor film at the same time.
That is, in the beam cross-sectional intensity distribution in the scanning direction, the pulse laser has an intensity at the rear side in the scanning direction applied to the rear end in the scanning direction that is lower than the intensity at the front side in the scanning direction. Accordingly, the irradiation of the first step is performed, and the irradiation of the second step is performed according to the intensity on the rear side in the scanning direction.

以上説明したように、本発明によれば、第１ステップと第２ステップのパルスレーザ照射により、結晶を十分に成長させて照射ムラの少ない良質な結晶半導体膜を得ることができる効果がある。   As described above, according to the present invention, there is an effect that the crystal can be sufficiently grown by the pulse laser irradiation in the first step and the second step, and a high-quality crystal semiconductor film with little irradiation unevenness can be obtained.

本発明の一実施形態の結晶半導体膜の製造装置を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing apparatus of the crystalline semiconductor film of one Embodiment of this invention. 同じく、走査方向でのビーム断面強度分布でビーム強度に段階を有するビーム断面強度分布を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the beam cross-sectional intensity distribution which has a step in beam intensity by the beam cross-sectional intensity distribution in a scanning direction. 同じく、走査方向でのビーム断面強度分布でビーム強度に段階を有するパルスレーザを整形する光学系を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the optical system which shapes the pulse laser which has a step in beam intensity by the beam cross-sectional intensity distribution in the scanning direction. 同じく、走査方向でのビーム断面強度分布でビーム強度に段階を有するパルスレーザの合成を説明する図である。Similarly, it is a figure explaining the synthesis | combination of the pulse laser which has a step in beam intensity by beam cross-sectional intensity distribution in a scanning direction. 同じく、実施例における半導体膜表面の状態を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the state of the semiconductor film surface in an Example. 同じく、実施例におけるムラ評価の結果を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the result of the nonuniformity evaluation in an Example.

以下に、本発明の一実施形態の結晶半導体膜の製造装置および製造方法を説明する。
結晶半導体膜製造装置１は、処理室２を備え、該処理室２内にＸ−Ｙ方向に移動可能な走査装置３を備え、該走査装置３にステージ５が設けられている。処理時には、該ステージ５上に非単結晶半導体膜として非晶質のシリコン膜１００などが設置され、所望により処理室２内の雰囲気を調整する。シリコン膜１００は、図示しない基板上に例えば４０〜１００ｎｍの厚さで形成されている。なお、本発明としては、非単結晶半導体膜の厚さが特に限定されるものではない。非単結晶半導体膜の形成は常法により行うことができ、本発明としては半導体膜の形成方法が特に限定されるものではない。また、処理対象となる半導体膜としては非晶質のものが好適であるが、本発明としては非晶質のものに限定されるものではなく、非単結晶のものや結晶を一部に含むものであってもよく、これらにおいても結晶の改質として本装置を適用することができる。
なお、走査装置３は、図示しないモータなどによって駆動され、該モータは後述する制御部８によって動作が制御されて走査装置３の走査速度が設定される。また、処理室２には、外部からパルスレーザを導入する導入窓６が設けられている。 Below, the manufacturing apparatus and manufacturing method of the crystalline semiconductor film of one Embodiment of this invention are demonstrated.
The crystal semiconductor film manufacturing apparatus 1 includes a processing chamber 2, and includes a scanning device 3 that can move in the XY direction in the processing chamber 2, and a stage 5 is provided in the scanning device 3. At the time of processing, an amorphous silicon film 100 or the like is installed on the stage 5 as a non-single crystal semiconductor film, and the atmosphere in the processing chamber 2 is adjusted as desired. The silicon film 100 is formed on a substrate (not shown) with a thickness of, for example, 40 to 100 nm. Note that in the present invention, the thickness of the non-single-crystal semiconductor film is not particularly limited. The non-single crystal semiconductor film can be formed by a conventional method, and the method for forming the semiconductor film is not particularly limited in the present invention. Further, the semiconductor film to be processed is preferably an amorphous film, but the present invention is not limited to an amorphous film and includes a non-single crystal film or a crystal in part. Even in these cases, the present apparatus can be applied as a modification of crystals.
The scanning device 3 is driven by a motor (not shown) or the like, and the operation of the motor is controlled by a control unit 8 described later to set the scanning speed of the scanning device 3. The processing chamber 2 is provided with an introduction window 6 for introducing a pulse laser from the outside.

処理室２の外部には、パルスレーザ発振装置１０が設置されている。該パルスレーザ発振装置１０は、エキシマレーザ発振装置で構成されている。該パルスレーザ発振装置１０には、制御部８に制御可能に接続されている。制御部８の指令によってパルスレーザ発振装置１０は所定の出力でパルスレーザが出力される。なお、本発明としては、発振装置の種別や発振媒質が限定されるものではなく、所望のパルスレーザを半導体膜に照射できるものであればよい。   A pulse laser oscillator 10 is installed outside the processing chamber 2. The pulse laser oscillator 10 is composed of an excimer laser oscillator. The pulse laser oscillator 10 is connected to the control unit 8 in a controllable manner. In response to a command from the control unit 8, the pulse laser oscillator 10 outputs a pulse laser with a predetermined output. In the present invention, the type of oscillation device and the oscillation medium are not limited as long as the semiconductor film can be irradiated with a desired pulse laser.

該パルスレーザ発振装置１０においてパルス発振されて出力されるパルスレーザ１５は例えば波長が４００ｎｍ以下で、パルス半値幅が２００ｎｓ以下のものとされる。ただし、本発明としてはこれらに限定されるものではない。
パルスレーザ１５は、アテニュエータ１１でパルスエネルギー密度が調整される。アテニュエータ１１は、前記制御部８に制御可能に接続されており、制御部８の指令によって所定の減衰率に設定される。制御部８では、半導体膜への照射面上で所定の照射パルスエネルギー密度が得られるように、減衰率が調整される。好適にはシリコン膜１００の照射面上において、エネルギー密度が１００〜５００ｍＪ／ｃｍ２となるように調整することができる。 The pulse laser 15 that is output after being pulsated by the pulse laser oscillation device 10 has, for example, a wavelength of 400 nm or less and a pulse half width of 200 ns or less. However, the present invention is not limited to these.
The pulse energy density of the pulse laser 15 is adjusted by the attenuator 11. The attenuator 11 is connected to the control unit 8 in a controllable manner, and is set to a predetermined attenuation rate according to a command from the control unit 8. In the control unit 8, the attenuation rate is adjusted so that a predetermined irradiation pulse energy density is obtained on the irradiation surface of the semiconductor film. Preferably, the energy density can be adjusted to 100 to 500 mJ / cm 2 on the irradiation surface of the silicon film 100.

アテニュエータ１１を透過したパルスレーザ１５は、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系１２でビーム整形され、処理室２に設けた導入窓６を通して処理室２内のシリコン膜１００に照射されるようにパルスレーザ１５を導く。図では、光学系１２の１つとして反射ミラー１２ａと集光レンズ１２ｂとが図示されている。本発明としては光学系に含まれる光学部材の種別や数が特に限定されるものではない。
照射の際の照射面形状は、断面角形状とされ、角形にはライン状のものが含まれる。 The pulse laser 15 transmitted through the attenuator 11 is beam-shaped by an optical system 12 including a lens, a reflection mirror, a homogenizer, and the like, and is irradiated to the silicon film 100 in the processing chamber 2 through the introduction window 6 provided in the processing chamber 2. The pulse laser 15 is guided as follows. In the figure, a reflection mirror 12a and a condenser lens 12b are shown as one of the optical systems 12. In the present invention, the type and number of optical members included in the optical system are not particularly limited.
The irradiation surface shape at the time of irradiation is a cross-sectional angle shape, and the square shape includes a line shape.

次に、上記結晶半導体膜製造装置１を用いた結晶半導体膜の製造方法について説明する。
前記シリコン膜１００を対象にして、パルスレーザ１５の照射によって微結晶化が生じる照射パルスエネルギー密度よりも低く、かつ複数回数Ｎ回の照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度Ｅ０を決定する。結晶化に適した照射パルスエネルギー密度Ｅ０としては、Ｎ回の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギー密度Ｅと同等なものを選定できる。同等なものとしては、Ｅ×０．９８〜Ｅ×１．０３を例示することができる。この実施形態では、回数Ｎ回のオーバーラップ照射によって照射パルスエネルギー密度Ｅ０でパルスレーザを照射した際と、同等の結晶化を得るものである。
上記照射パルスエネルギー密度Ｅ０を第１ステップの照射パルスエネルギー密度Ｅ１に決定する。また、第２ステップの照射パルスエネルギー密度Ｅ２として、照射パルスエネルギー密度Ｅ１よりも低く、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上となる照射パルスエネルギーＥ２を決定し、これらを制御部８に設定する。なお、照射パルスエネルギー密度Ｅ２はＥ１×０．９５以上とするのが望ましい。
上記したＥ０、Ｅ１、Ｅ２には経験的に数値を得たものを利用できる。 Next, a method for manufacturing a crystal semiconductor film using the crystal semiconductor film manufacturing apparatus 1 will be described.
For the silicon film 100, an irradiation pulse energy density E0 that is lower than an irradiation pulse energy density at which microcrystallization is generated by irradiation of the pulse laser 15 and is suitable for crystallization by N times of irradiation a plurality of times is determined. As the irradiation pulse energy density E0 suitable for crystallization, one equivalent to the irradiation pulse energy density E at which the crystal grain size growth is saturated by N times of irradiation can be selected. As an equivalent thing, Ex0.98-Ex1.03 can be illustrated. In this embodiment, the same crystallization is obtained as when the pulse laser is irradiated with the irradiation pulse energy density E0 by the overlap irradiation N times.
The irradiation pulse energy density E0 is determined as the irradiation pulse energy density E1 in the first step. Further, the irradiation pulse energy density E2 in the second step is determined to be an irradiation pulse energy density E2 that is lower than the irradiation pulse energy density E1 and is equal to or higher than the irradiation energy density necessary for the crystal to be remelted. Set to. The irradiation pulse energy density E2 is preferably E1 × 0.95 or more.
E0, E1, and E2 described above can be obtained empirically.

次に、第１ステップにおけるオーバーラップにおける照射回数Ｎ１と、第２ステップにおけるオーバーラップにおける照射回数Ｎ２とを決定し、制御部８に設定する。Ｎ１とＮ２の和はＮ以上とする。なお、Ｎ１≧Ｎ２が望ましく、さらにＮ１＋Ｎ２≦１．５Ｎが望ましい。Ｎ１、Ｎ２の回数は経験的に定めることができる。   Next, the number of irradiations N1 in the overlap in the first step and the number of irradiations N2 in the overlap in the second step are determined and set in the control unit 8. The sum of N1 and N2 is N or more. N1 ≧ N2 is desirable, and N1 + N2 ≦ 1.5N is desirable. The number of N1 and N2 can be determined empirically.

上記設定に基づいて、第１ステップの条件で、走査装置３によりシリコン膜１００を一方向に移動させつつパルスレーザ発振装置１０からパルスレーザ１５を出力し、光学系１２、導入窓６を通して処理室２内のシリコン膜１００にパルスレーザ１５をオーバーラップ照射して処理をする。なお、オーバーラップ回数は、走査装置３の走査速度とパルスレーザの繰り返し周波数とパルスの短軸方向幅で決定される。このため、制御部８は、パルスレーザの繰り返し周波数を前提にして、Ｎ１回のオーバーラップがなされるように走査装置３の走査速度を決定する。走査速度は、例えば６〜１６ｍｍ／秒の範囲で選定することができる。なお、本発明としてはこの走査速度が特定のものに限定されるものではなく、例えば１〜１００ｍｍ／秒の範囲で選択することができる。また、アテニュエータ１１の減衰率は、制御部８によってシリコン膜１００上の照射パルスエネルギーＥ１が設定値になるように調整される。該調整は、予め減衰率と照射パルスエネルギーとの関係を求めておき、この関係に従って行うことができる。また、図示しない測定装置でパルスレーザ１５のパルスエネルギー密度を測定して、該パルスエネルギー密度が所定値になるようにアテニュエータ１１の制御を行うことができる。   Based on the above settings, the pulse laser 15 is output from the pulse laser oscillator 10 while the silicon film 100 is moved in one direction by the scanning device 3 under the conditions of the first step, and the processing chamber is passed through the optical system 12 and the introduction window 6. The silicon film 100 in 2 is processed by overlapping irradiation with the pulse laser 15. Note that the number of overlaps is determined by the scanning speed of the scanning device 3, the repetition frequency of the pulse laser, and the short axis width of the pulse. For this reason, the control unit 8 determines the scanning speed of the scanning device 3 so as to be overlapped N1 times on the assumption of the repetition frequency of the pulse laser. The scanning speed can be selected in the range of 6 to 16 mm / second, for example. In the present invention, the scanning speed is not limited to a specific one, and can be selected in the range of 1 to 100 mm / second, for example. The attenuation rate of the attenuator 11 is adjusted by the control unit 8 so that the irradiation pulse energy E1 on the silicon film 100 becomes a set value. The adjustment can be performed in accordance with this relationship by obtaining a relationship between the attenuation rate and the irradiation pulse energy in advance. Further, the pulse energy density of the pulse laser 15 can be measured by a measuring device (not shown), and the attenuator 11 can be controlled so that the pulse energy density becomes a predetermined value.

次にシリコン膜１００の所定エリアの処理が完了すると、走査装置３を逆方向に移動するように動作させて第２ステップのオーバーラップ照射を行う。制御部８は、パルスレーザの繰り返し周波数を前提にして、Ｎ２回のオーバーラップがなされるように走査装置３の走査速度を決定する。走査速度は、例えば６〜１６ｍｍ／秒の範囲で選定することができる。なお、本発明としてはこの走査速度が特定のものに限定されるものではなく、例えば１〜１００ｍｍ／秒の範囲で選択することができる。また、アテニュエータ１１の減衰率は、制御部８によってシリコン膜１００の照射パルスエネルギーＥ２が設定値になるように調整される。該調整は、第１ステップと同様に行うことができる。また、第２ステップでパルス幅の異なるパルスレーザを用いることでオーバーラップによる回数を変えることもでき、走査速度などを複合して所望のオーバーラップ回数を得るようにしてもよい。   Next, when processing of a predetermined area of the silicon film 100 is completed, the scanning device 3 is operated so as to move in the reverse direction, and the second step of overlap irradiation is performed. The controller 8 determines the scanning speed of the scanning device 3 so that the overlap is performed N2 times on the assumption of the repetition frequency of the pulse laser. The scanning speed can be selected in the range of 6 to 16 mm / second, for example. In the present invention, the scanning speed is not limited to a specific one, and can be selected in the range of 1 to 100 mm / second, for example. The attenuation rate of the attenuator 11 is adjusted by the control unit 8 so that the irradiation pulse energy E2 of the silicon film 100 becomes a set value. The adjustment can be performed in the same manner as in the first step. In addition, the number of times of overlap can be changed by using pulse lasers having different pulse widths in the second step, and a desired number of times of overlap may be obtained by combining the scanning speed and the like.

第１ステップのパルスレーザ照射と第２ステップのパルスレーザ照射がされたシリコン膜１００の所定エリアは、照射パルスエネルギー密度Ｅ０でＮ回のオーバーラップ照射を行った場合と同程度に良好に結晶化される。さらに、本実施形態では、第１ステップの照射と第２ステップの照射とが行われることで、パルスレーザのエッジ部による半導体膜上の盛り上がり部の高さを低くして照射ムラをなくし、よって、より良質の半導体デバイスに提供することが可能になる。   The predetermined area of the silicon film 100 that has been subjected to the first-step pulse laser irradiation and the second-step pulse laser irradiation is crystallized as well as the case where N overlap irradiations are performed at the irradiation pulse energy density E0. Is done. Furthermore, in the present embodiment, the irradiation of the first step and the irradiation of the second step are performed, so that the height of the raised portion on the semiconductor film by the edge portion of the pulse laser is reduced, and uneven irradiation is eliminated. It becomes possible to provide a higher quality semiconductor device.

なお、上記実施形態では、第１ステップのスキャン照射を所定のエリアで行った後、第２ステップのスキャン照射を上記エリアに行うものとして説明したが、二つのパルスレーザを用いて第１のステップでの照射を行った後、直ちに第２のステップの照射を行うようにしてもよい。この場合、二つのパルスレーザは、二つのパルスレーザ光源から出力されたものを用いることができ、また、１つのパルスレーザ光源から出力されたパルスレーザを分割して、エネルギー調整や遅延調整などを行って、二つのパルスレーザを得てもよい。
なお、パルスレーザは、複数のパルスレーザを合成してパルス幅を調整したものであってもよい。 In the above embodiment, the first step scan irradiation is performed in a predetermined area and then the second step scan irradiation is performed in the area. However, the first step is performed using two pulse lasers. The second step of irradiation may be performed immediately after the irradiation at. In this case, the two pulse lasers that are output from the two pulse laser light sources can be used, and the pulse laser output from one pulse laser light source is divided to perform energy adjustment or delay adjustment. Two pulsed lasers may be obtained.
Note that the pulse laser may be a laser whose pulse width is adjusted by combining a plurality of pulse lasers.

なお、上記実施形態では、第１ステップで、１つのパルスレーザで所定のエリアのシリコン膜を処理した後に、第２ステップで他のパルスレーザで処理を行うものとして説明したが、１つのパルスで第１ステップと第２ステップとが同時期に行われるようにしてもよい。なお、１つのパルスとしては擬似的に１つといえるものも含まれる。
すなわち、パルスレーザが、短軸方向のビーム断面強度分布において、走査方向後端にかけた走査方向後方側が、走査方向前方側の強度よりも低い強度を有しており、前記走査方向前方側で前記強度に従って前記第１ステップの照射がなされ、前記走査方向後方側で前記強度に従って前記第２ステップの照射がなされる。 In the above embodiment, the silicon film of a predetermined area is processed by one pulse laser in the first step, and then the processing is performed by another pulse laser in the second step. The first step and the second step may be performed at the same time. One pulse includes a pseudo one.
That is, in the beam cross-sectional intensity distribution in the short axis direction, the pulse laser has a lower intensity in the scanning direction applied to the rear end in the scanning direction than the intensity in the scanning direction front side. Irradiation of the first step is performed according to the intensity, and irradiation of the second step is performed according to the intensity on the rear side in the scanning direction.

この形態に用いられるパルスレーザの走査方向のビーム断面強度分布を図２に示す。
ビーム断面は、走査方向前方側で、パルス照射エネルギーＥ１の高さを有し、走査方向後方側で後端にかけてパルス照射エネルギーＥ２の高さを有する段階的なビーム強度を有している。この形態では、パルス照射エネルギーＥ１の高さを有するパルス部分でシリコン膜１００の同一領域にＮ１回のパルスレーザ照射が行われ、パルス照射エネルギーＥ２の高さを有するパルス部分でシリコン膜１００の同一領域にＮ２回のパルスレーザ照射が行われる。Ｎ１、Ｎ２の回数は、パルス照射エネルギーＥ１の高さを有する走査方向の部分長さＬ１とパルス照射エネルギーＥ１の高さを有する走査方向の部分長さＬ２と、パルス毎のピッチによって定まる。例えば、Ｌ１＝Ｌ２（例えば２００μｍ）とすれば、Ｎ１とＮ２とは基本的には同一回数となる。
すなわち、長さＬ１を相対的に長くすることでＮ１の回数を多くすることができる。このためＬ１≧Ｌ２とするのが望ましい。したがって、Ｎ１、Ｎ２は、長さＬ１、Ｌ２の大きさに依存し、さらには上記実施形態と同様に、走査速度とパルスレーザの繰り返し周波数にも依存する。これらの設定によって、この形態におけるＮ１、Ｎ２が決定される。 FIG. 2 shows the beam cross-sectional intensity distribution in the scanning direction of the pulse laser used in this embodiment.
The beam cross section has a stepped beam intensity having a height of the pulse irradiation energy E1 on the front side in the scanning direction and a height of the pulse irradiation energy E2 toward the rear end on the rear side in the scanning direction. In this embodiment, the same region of the silicon film 100 is irradiated N1 times with the pulse portion having the height of the pulse irradiation energy E1, and the same portion of the silicon film 100 is irradiated with the pulse portion having the height of the pulse irradiation energy E2. The region is irradiated N2 times with pulsed laser. The number of times N1 and N2 is determined by the partial length L1 in the scanning direction having the height of the pulse irradiation energy E1, the partial length L2 in the scanning direction having the height of the pulse irradiation energy E1, and the pitch for each pulse. For example, if L1 = L2 (for example, 200 μm), N1 and N2 are basically the same number of times.
That is, the number of times N1 can be increased by relatively increasing the length L1. For this reason, it is desirable that L1 ≧ L2. Therefore, N1 and N2 depend on the sizes of the lengths L1 and L2, and also depend on the scanning speed and the repetition frequency of the pulse laser as in the above embodiment. N1 and N2 in this form are determined by these settings.

上記形状の走査方向のビーム断面強度分布を有するパルスレーザは種々の方法で有ることができる。
例えば、図３（ａ）に示すように光学系の光路上で光学部材の上流側または下流側でレーザビームの一部を遮蔽または透過を抑制する部材を配置することで、図３（ｂ）に示すように走査方向におけるビーム強度を部分的に低くし、ビーム強度が段階的になったビーム断面強度分布を有するパルスレーザが得られる。
また、図４（ａ）に示すように、二つのパルスを合成または擬似的に合成することで、図４（ｂ）に示すように、ビーム強度が段階的（走査方向幅Ｌ１、Ｌ２）になったビーム断面強度分布を有するパルスｃが得られる。例えば、ビーム強度が異なるパルスａとパルスｂとに時間差を設けて光学系で合成し、合成したパルスを非単結晶半導体膜上に照射することができる。また、ビーム強度が異なるパルスａとパルスｂとを同時に位置をずらして非単結晶半導体膜上に照射することで擬似的に１つとしたパルスとすることができる。 The pulse laser having the beam cross-sectional intensity distribution in the scanning direction having the above shape can be provided by various methods.
For example, as shown in FIG. 3A, by disposing a member that blocks or transmits part of the laser beam on the upstream side or downstream side of the optical member on the optical path of the optical system, FIG. As shown in FIG. 5, a pulse laser having a beam cross-sectional intensity distribution in which the beam intensity in the scanning direction is partially reduced and the beam intensity is stepwise can be obtained.
Further, as shown in FIG. 4A, by combining or pseudo-synthesizing two pulses, the beam intensity is stepwise (scanning direction widths L1 and L2) as shown in FIG. 4B. A pulse c having a beam cross-sectional intensity distribution is obtained. For example, a pulse a and a pulse b having different beam intensities can be combined by an optical system with a time difference, and the combined pulse can be irradiated onto a non-single-crystal semiconductor film. Further, a pulse a and a pulse b having different beam intensities can be made to be a single pulse by irradiating the non-single crystal semiconductor film with the positions shifted simultaneously.

次に、パルスレーザ光源（製品番号ＬＳＸ５４０Ｃ）を用いて、膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコン膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅７０ｎｍ、繰り返し周波数３００Ｈｚ、ビーム断面において長軸長さ４６５ｍｍ×短軸長さ４００μｍのラインビーム状のエキシマパルスレーザを照射して、アニール処理を行った。
従来例として、オーバーラップ率９５％（オーバラップ照射２０回）で結晶化に適した照射エネルギー密度Ｅ０（ＯＥＤ（Optinum energy density）；この例では３７０ｍＪ／ｃｍ２）を設定した。この際には、２０μｍピッチになるように走査速度およびパルスレーザの繰り返し周波数を設定した。エネルギー密度Ｅ０は、微結晶が生じず、前記オーバラップ照射で結晶粒径が飽和する照射エネルギー密度Ｅと同じにした。
また、発明例および比較例として、第１ステップでオーバーラップ率９０％（オーバラップ照射１０回）で照射エネルギー密度Ｅ０と同じ照射エネルギー密度Ｅ１（３７０ｍＪ／ｃｍ２）を設定した。この際には、４０μｍピッチになるように走査速度を設定した。 Next, using a pulse laser light source (product number LSX540C), an amorphous silicon film having a film thickness of 50 nm is formed with a wavelength of 308 nm, a pulse width of 70 nm, a repetition frequency of 300 Hz, and a major axis length of 465 mm × minor axis length of 400 μm in the beam cross section. An annealing process was performed by irradiating a line beam-shaped excimer pulse laser.
As a conventional example, an irradiation energy density E0 (OED (Optinum energy density); in this example, 370 mJ / cm 2 ) suitable for crystallization with an overlap rate of 95% (overlap irradiation 20 times) was set. At this time, the scanning speed and the repetition frequency of the pulse laser were set so that the pitch would be 20 μm. The energy density E0 was set to be the same as the irradiation energy density E at which the crystal grain size is saturated by the overlap irradiation without generating microcrystals.
In addition, as an invention example and a comparative example, the irradiation energy density E1 (370 mJ / cm 2 ) that is the same as the irradiation energy density E0 was set in the first step with an overlap rate of 90% (overlap irradiation 10 times). At this time, the scanning speed was set to be 40 μm pitch.

さらに、発明例として、第２ステップでオーバーラップ率９０％（オーバラップ照射１０回）で照射エネルギー密度Ｅ１の−５％となる照射エネルギー密度Ｅ２（３５２ｍＪ／ｃｍ２）を設定した。この際には、４０μｍピッチになるように走査速度を設定した。
さらに、比較例として、第２ステップでオーバーラップ率９０％（オーバラップ照射１０回）で照射エネルギー密度Ｅ１の−１０％、−１５％または−２０％となる照射エネルギー密度に設定した。この際にも、４０μｍピッチになるように走査速度およびパルスレーザの繰り返し周波数を設定した。 Furthermore, as an example of the invention, an irradiation energy density E2 (352 mJ / cm 2 ) that is -5% of the irradiation energy density E1 at an overlap rate of 90% (10 times of overlap irradiation) in the second step was set. At this time, the scanning speed was set to be 40 μm pitch.
Furthermore, as a comparative example, the irradiation energy density was set to −10%, −15%, or −20% of the irradiation energy density E1 at the overlap ratio of 90% (overlap irradiation 10 times) in the second step. Also at this time, the scanning speed and the repetition frequency of the pulse laser were set so that the pitch was 40 μm.

上記条件で、アモルファスのシリコン膜にパルスレーザをオーバーラップ照射し、処理後の結晶シリコン膜の照射ムラおよび結晶性を評価した。また、従来例と発明例については、結晶シリコン膜の表面凹凸をＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）によって観察した。
図５に、結晶シリコン膜の表面断面の概略図を示す。従来例では、図５（ｂ）に示すようにパルスレーザの最終照射によるエッジ部分に相応して比較的大きな盛り上がりが形成されている。一方、発明例では、図５（ａ）に示すように、上記に相当する盛り上がりが低くなだらかになっていることが認められ、第１ステップと第２ステップの照射により盛り上がりが緩和されていることが分かる。 Under the above conditions, the amorphous silicon film was irradiated with a pulse laser in an overlapping manner, and the irradiation unevenness and crystallinity of the crystalline silicon film after the treatment were evaluated. In the conventional example and the invention example, the surface irregularities of the crystalline silicon film were observed with an AFM (Atomic Force Microscope).
FIG. 5 shows a schematic view of the surface cross section of the crystalline silicon film. In the conventional example, as shown in FIG. 5B, a relatively large bulge is formed corresponding to the edge portion by the final irradiation of the pulse laser. On the other hand, in the example of the invention, as shown in FIG. 5 (a), it is recognized that the bulge corresponding to the above is low, and the bulge is mitigated by irradiation of the first step and the second step. I understand.

結晶シリコン膜の照射ムラ評価は以下の方法によって行った。
結晶シリコン膜に検査光をそれぞれの例で５地点に照射し、それぞれ反射光を受光してカラー画像を取得し、カラー画像の色成分を検出し、検出された色成分に基づいてカラー画像をモノクロ化した。次いで、モノクロ化された画像のデータをコンボリューションして画像濃淡を強調した画像データを取得し、画像濃淡を強調した画像データを射影変換し、射影変換がされた画像データに基づいて表面ムラを評価した。モノクロ化は、検出がされた色成分のうち、主となる色成分を用いて行うことができ、主となる色成分は、光分布が他の色成分よりも相対的に大きい色成分とすることができる。
モノクロ化した画像データは、レーザのビーム方向を行、レーザの走査方向を列とする行列データで示し、コンボリューションでは、所定係数の行列をモノクロ化された画像のデータの行列に掛け合わせることによって行った。
所定係数の行列は、ビーム方向を強調するものと、スキャン方向を強調するものとをそれぞれ用いてビーム方向の画像濃淡を強調した画像データとスキャン方向の画像濃淡を強調した画像データとをそれぞれ取得した。
具体的には、以下のコンボリューションを行った。なお、所定係数の行列が下記に限定されるものではない。 Irradiation unevenness evaluation of the crystalline silicon film was performed by the following method.
In each example, the inspection light is irradiated to the crystalline silicon film at five points, the reflected light is received to obtain a color image, the color component of the color image is detected, and the color image is detected based on the detected color component. Monochrome. Next, convolution of the monochrome image data is performed to obtain image data in which the image density is emphasized, the image data in which the image density is emphasized is projectively converted, and surface unevenness is corrected based on the image data subjected to the projective conversion. evaluated. Monochrome can be performed using the main color components among the detected color components, and the main color components are color components having a light distribution that is relatively larger than other color components. be able to.
Monochrome image data is indicated by matrix data in which the laser beam direction is a row and the laser scanning direction is a column. In convolution, a matrix of predetermined coefficients is multiplied by a monochrome image data matrix. went.
The matrix of predetermined coefficients obtains image data that emphasizes the image density in the beam direction and image data that emphasizes the image density in the scan direction by using those that emphasize the beam direction and those that emphasize the scan direction, respectively. did.
Specifically, the following convolution was performed. Note that the matrix of the predetermined coefficients is not limited to the following.

Figure 0005922549
Figure 0005922549

画像の濃淡を強調した画像データに対しては、スキャン方向、ショット方向にまとまったスジが現われることを利用して、それぞれの方向の射影を求める。
具体的には下記に示す式によってショット方向、スキャン方向にそれぞれ射影変換する。
ショット方向＝（Max(Σf(x)/Nx）-Min(Σf(x)/Nx））/平均
スキャン方向＝（Max(Σf(y)/Ny）-Min(Σf(y)/Ny））/平均
ただし、ｘはショット方向の画像の位置、ｙはスキャン方向の画像の位置、ｆ（ｘ）はｘ位置における画像データ、ｆ（ｙ）はｙ位置における画像データ、Ｎｘはショット方向の画像の数、Ｎｙはスキャン方向の画像の数を示す。 For image data in which the density of the image is emphasized, projections in the respective directions are obtained using the fact that streaks gathered in the scan direction and the shot direction appear.
Specifically, projective transformation is performed in the shot direction and the scan direction according to the following expressions.
Shot direction = (Max (Σf (x) / Nx) −Min (Σf (x) / Nx)) / Average Scan direction = (Max (Σf (y) / Ny) −Min (Σf (y) / Ny)) Where x is the position of the image in the shot direction, y is the position of the image in the scan direction, f (x) is the image data at the x position, f (y) is the image data at the y position, and Nx is the image in the shot direction , Ny indicates the number of images in the scanning direction.

図６のムラスコアは、スキャン方向のムラを数値化して示したものである。数値が高いほどムラが大きいことを示している。
図６から分かるように、従来例では、ムラスコアは０．２〜０．３となりムラが大きい。これは前述したようにパルスレーザのエッジによる表面盛り上がりが影響していると考えられる。
一方、発明例では、第１ステップ後では従来例と同様にムラが大きいものの、第２ステップ後にはムラスコアは０．０６〜０．１３になりムラが緩和されている。なお、第２のステップでの照射を−１０％Ｅ０、−１５％Ｅ０、−２０％Ｅ０の照射パルスエネルギーで行ったものは、従来例よりもムラは小さくなっているが、ムラの軽減という点で十分ではなかった。 The unevenness score in FIG. 6 is a numerical representation of unevenness in the scan direction. The higher the value, the greater the unevenness.
As can be seen from FIG. 6, in the conventional example, the unevenness score is 0.2 to 0.3, and the unevenness is large. As described above, this is considered to be due to the surface bulge caused by the edge of the pulse laser.
On the other hand, in the inventive example, after the first step, the unevenness is large as in the conventional example, but after the second step, the unevenness score is 0.06 to 0.13, and the unevenness is reduced. Note that, in the case where the irradiation in the second step is performed with irradiation pulse energy of −10% E0, −15% E0, and −20% E0, the unevenness is smaller than the conventional example, but the unevenness is reduced. The point was not enough.

次に、従来例、発明例および参考例の結晶シリコン膜の結晶性をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真により観察した。
その結果、従来例、発明例ともに均一な結晶粒が同等に形成されていた。一方、−１５％Ｅ０、−２０％Ｅ０とした参考例では、十分な結晶成長がなされておらず、結晶粒径が小さいものになった。−１０％Ｅ０では、−１５％Ｅ０、−２０％Ｅ０程ではないがやや結晶粒径が小さくなった。 Next, the crystallinity of the crystalline silicon films of the conventional example, the invention example, and the reference example was observed with SEM (Scanning Electron Microscope) photographs.
As a result, uniform crystal grains were equally formed in both the conventional example and the invention example. On the other hand, in the reference examples having −15% E0 and −20% E0, sufficient crystal growth was not achieved and the crystal grain size was small. At −10% E0, the crystal grain size was slightly smaller than −15% E0 and −20% E0.

以上のように、本発明例によれば、良好な結晶粒成長が得られるとともにパルスレーザのエッジによる盛り上がりを小さくしてムラを軽減することができる。また、従来に比べて生産性を殆ど低下させることなく処理を行うことが可能になる。   As described above, according to the example of the present invention, excellent crystal grain growth can be obtained and unevenness can be reduced by reducing the rise due to the edge of the pulse laser. In addition, it is possible to perform processing with almost no reduction in productivity as compared with the conventional case.

以上、本発明について前記各実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明はこれらの説明内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。   The present invention has been described based on the above-described embodiments and examples. However, the present invention is not limited to these descriptions, and appropriate modifications can be made without departing from the scope of the present invention. It is.

１ 結晶半導体膜製造装置
２ 処理室
３ 走査装置
５ ステージ
８ 制御部
１０ パルスレーザ発振装置
１１ アテニュエータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crystal semiconductor film manufacturing apparatus 2 Processing chamber 3 Scanning apparatus 5 Stage 8 Control part 10 Pulse laser oscillation apparatus 11 Attenuator

Claims (10)

非単結晶半導体膜上に、パルスレーザを短軸方向に相対的に走査しつつオーバーラップ照射して結晶化を行う結晶半導体膜の製造方法において、
前記パルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギー密度よりも低く、かつ複数回数Ｎ回の照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度をＥ０として、
前記照射パルスエネルギー密度Ｅ０と同じ照射パルスエネルギー密度Ｅ１で前記パルスレーザが複数回数Ｎ１回照射される第１ステップと、
前記第１ステップ後に、前記照射パルスエネルギー密度Ｅ１よりも低く、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上となる照射パルスエネルギーＥ２で前記パルスレーザが複数回数Ｎ２回照射される第２ステップとを有し、
同一照射面に対する前記第１ステップと前記第２ステップにおける合計照射回数（Ｎ１回＋Ｎ２回）がＮ回以上であることを特徴とする結晶半導体膜の製造方法。 In a method for manufacturing a crystalline semiconductor film, on a non-single crystal semiconductor film, crystallization is performed by overlapping irradiation while relatively scanning a pulse laser in the minor axis direction.
E0 is an irradiation pulse energy density that is lower than an irradiation pulse energy density at which microcrystallization occurs in the non-single-crystal semiconductor film by the irradiation of the pulse laser and suitable for crystallization by a plurality of N times of irradiation.
A first step in which the pulse laser is irradiated N1 times a plurality of times at the same irradiation pulse energy density E1 as the irradiation pulse energy density E0;
After the first step, the second step of irradiating the pulse laser a plurality of times N2 with an irradiation pulse energy E2 lower than the irradiation pulse energy density E1 and higher than an irradiation energy density necessary for remelting the crystal. And
A method for producing a crystalline semiconductor film, wherein the total number of irradiations (N1 times + N2 times) in the first step and the second step on the same irradiation surface is N times or more. 前記結晶化に適した照射パルスエネルギーが、複数回数Ｎ回の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギー密度Ｅとして、Ｅ×０．９８〜Ｅ×１．０３の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の結晶半導体膜の製造方法。   The irradiation pulse energy suitable for the crystallization is within the range of E × 0.98 to E × 1.03 as the irradiation pulse energy density E at which the crystal grain size growth is saturated by N times of multiple times of irradiation. The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein: 前記照射パルスエネルギー密度Ｅ２がＥ１×０．９５以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の結晶半導体膜の製造方法。   3. The method of manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the irradiation pulse energy density E2 is E1 × 0.95 or more. 前記合計照射回数がＮ×１．５以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。   The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the total number of irradiations is N × 1.5 or less. 前記Ｎ１を前記Ｎ２以上の回数にすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。 The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein N1 is set to a number equal to or greater than N2. 前記パルスレーザの波長が４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。 Method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the wavelength of the pulsed laser is 400nm or less. 前記パルスレーザの半値幅が２００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。 Method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 6, wherein the half-width of the pulse laser is less than 200ns. 前記非単結晶半導体がシリコンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。 Method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 7, wherein the non-single-crystal semiconductor is silicon. パルスレーザを出力する１または２以上のレーザ光源と、
前記パルスレーザを整形して非単結晶半導体に導く光学系と、
前記パルスレーザの照射エネルギー密度を調整するエネルギー調整部と、
前記パルスレーザを前記単結晶半導体に対し相対的に走査する走査装置と、
前記レーザ光源、前記エネルギー調整部および前記走査装置を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記エネルギー調整部を制御してパルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギー密度よりも低く、かつ複数回数Ｎ回の照射による結晶化に適した照射パルスエネルギー密度Ｅ０と同じ照射パルスエネルギー密度Ｅ１に調整し、該照射パルスエネルギー密度Ｅ１で前記走査装置を制御して前記パルスレーザを走査しつつ前記非単結晶半導体に対しＮ１回（但しＮ１＜Ｎ）の複数回照射を順次行う第１ステップと、第１ステップで前記パルスレーザがＮ１回照射された半導体に、前記エネルギー調整部を制御して前記照射パルスエネルギー密度Ｅ１よりも低く、かつ結晶が再溶融するため必要な照射エネルギー密度以上の照射パルスエネルギーＥ２に調整し、該照射パルスエネルギー密度Ｅ２で前記走査装置を制御して前記パルスレーザを走査しつつ前記非単結晶半導体に対しＮ２回（但し、Ｎ２＜Ｎ、Ｎ１＋Ｎ２≧Ｎ）の複数回照射を順次行う第２ステップとを実行することを特徴とする結晶半導体膜の製造装置。 One or more laser light sources that output a pulsed laser;
An optical system for shaping the pulsed laser into a non-single crystal semiconductor;
An energy adjusting unit for adjusting the irradiation energy density of the pulse laser;
A scanning device for scanning the pulsed laser relative to the single crystal semiconductor;
A control unit for controlling the laser light source, the energy adjustment unit and the scanning device,
The control unit controls the energy adjusting unit to be lower than an irradiation pulse energy density at which microcrystallization occurs in the non-single crystal semiconductor film by pulse laser irradiation, and is suitable for crystallization by N times of irradiation a plurality of times. The irradiation pulse energy density E1 is adjusted to the same irradiation pulse energy density E1, and the scanning device is controlled with the irradiation pulse energy density E1 to scan the pulse laser N1 times (however, N1 <N) a first step of sequentially performing a plurality of times of irradiation, and a semiconductor irradiated with the pulse laser N1 times in the first step by controlling the energy adjusting unit to be lower than the irradiation pulse energy density E1, and The irradiation pulse energy is adjusted to an irradiation pulse energy E2 that is higher than the irradiation energy density necessary for the crystal to melt again, and the irradiation pulse energy Performing the second step of sequentially irradiating the non-single crystal semiconductor a plurality of times N2 times (where N2 <N, N1 + N2 ≧ N) while scanning the pulse laser by controlling the scanning device at a degree E2. An apparatus for producing a crystalline semiconductor film, comprising: 前記制御部は、前記結晶化に適した照射パルスエネルギーが、複数回数Ｎ回の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギー密度Ｅとして、Ｅ×０．９８〜Ｅ×１．０３の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項９に記載の結晶半導体膜の製造装置。 The control unit has a range of E × 0.98 to E × 1.03 as an irradiation pulse energy density E at which the irradiation pulse energy suitable for the crystallization is saturated with crystal grain size growth by N times of irradiation a plurality of times. The apparatus for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 9 , wherein
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