JPH0656834B2 - 単結晶薄膜の製造装置 - Google Patents

単結晶薄膜の製造装置

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JPH0656834B2 JP59220684A JP22068484A JPH0656834B2 JP H0656834 B2 JPH0656834 B2 JP H0656834B2 JP 59220684 A JP59220684 A JP 59220684A JP 22068484 A JP22068484 A JP 22068484A JP H0656834 B2 JPH0656834 B2 JP H0656834B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ＜発明の技術分野＞ 本発明は非晶質基板上に形成された多結晶や非晶質等の
非単結晶薄膜にレーザ光を照射して単結晶化させる際の
レーザ光の照射方法に改良を加えた単結晶薄膜の製造装
置に関するものである。
＜発明の技術的背景＞ 近年、半導体集積回路の高密度化等の要望に伴なって、
非晶質基板上に形成された非晶質或いは多結晶の薄膜に
レーザ光を照射して、薄膜を溶融再結晶化させることに
より単結晶薄膜を形成する技術の開発が進められてい
る。例えばシリコン半導体基板上に絶縁性の非晶質酸化
膜が下地基板として形成され、この絶縁性非晶質上に再
結晶させるべき非晶質或いは多結晶薄膜が形成され、こ
の薄膜にレーザ光を照射して再結晶化が図られ、半導体
薄膜が形成される。
この再結晶化に用いられるレーザアニール装置の基本的
なブロック構成図を第４図に示す。
第４図において、１はレーザ光源、２，３は反射ミラ
ー、４はビームエキスパンダ、５は走査光学系、６は試
料加熱部、７は試料加熱部６上に載置された再結晶化に
供する試料であり、レーザ光源１から放射されたレーザ
光８が加熱部６に載置された薄膜試料７上に照射され、
走査光学系５によってビーム走査される。また、レーザ
アニール装置の光学系としては、レーザ光を充分に細く
集光させるために、レーザ光源１から放出された光をビ
ームエキスパンダ４で拡大してから、走査光学系５内の
集束レンズに絞り込んで試料７に照射するような構成が
一般的である。
通常、レーザ光８の強度分布は第５図に示すようにガラ
ス分布を呈しているため、このような強度分布を持つレ
ーザ光８を試料７に照射して走査を行なうと、試料７上
に形成された薄膜は溶融した後、溶融領域の中でより温
度の低い両端から多数の粒が中央部へ向って成長し、第
６図に示すように多結晶の集合となってしまう。
なお第６図において、１１は非溶融領域、１２は粒径の
増大した多結晶領域、ａはレーザ走査方向を示してい
る。
一方、走査方向に垂直な方向に中央部が弱く、その外側
に二つのピークを持つような第７図に示すような双峰型
の強度分布のレーザ光を照射することにより、固化が溶
融部の中央から始まり外側に向かって単一の結晶が成長
するため、第８図に示すようにストライブ状の単結晶領
域１３が形成されることになるが、本発明者は、このよ
うな強度分布のレーザ光を得る方法を、先に実願昭５９
−32145「薄膜製造装置」として提案している。
本発明者が先に提案した方法はレーザ光の光路上にレー
ザ光を非単結晶薄膜に方向付けるミラーを配置し、この
ミラーは背面側に反射面が形成され、入射面側に透明領
域を残して一部にのみ反射膜が形成されており、透明領
域と反射膜との境界に跨ってレーザ光を照射して双峰型
レーザ光を形成するようにしたものである。
＜発明の目的＞ 本発明は上記諸点に鑑みて成されたものであり、上記し
た単結晶薄膜形成に適したレーザ光の強度分布を効率よ
く得るようにした単結晶薄膜の製造装置を提供すること
を目的としている。
＜発明の構成＞ この目的を達成するため、本発明の単結晶薄膜の製造装
置は、非単結晶薄膜にレーザ光を照射して溶融させ、こ
のレーザ光を走査することにより上記の薄膜を単結晶化
させる装置において、上記のレーザ光をフレネルの複プ
リズムを介して照射することにより、照射面でのレーザ
光の強度分布走査方向の部が低く走査方向に垂直な方向
の両端にピークを持つ強度分布に再構成して上記の非単
結晶薄膜に照射せしめるように構成している。
＜発明の実施例＞ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
本発明の一実施例としてのレーザアニール装置は例えば
第４図に示したレーザアニール装置における反射ミラー
３の手前側にフレネルの複プリズムを挿入配置し、この
フレネルの複プリズムによってガウス分布のレーザ光を
中央で分割し、それぞれをずらして重ね合わせることに
より、走査方向の中央部が低く、走査方向に垂直な方向
の両端にピークを持つ強度分布を形成するように構成し
ている。
第１図は本発明にしたがって配置される２個のフレネル
の複プリズムによって所望の強度分布のレーザ光が得ら
れる様子を説明するための図である。
第１図において、２１及び２２はそれぞれ頂角θのフレ
ネルの複プリズムと称せられる光学部材であり、フレネ
ルの複プリズム２１及び２２は頂角θの形成された面が
対向するように配置されると共に頂角θの形成された面
と反対側の面２１ａと２２ａが平行に保持されるように
配置されている。
このような構成により、第２図(a)に示す如き入射光と
してのガウス分布のレーザ光２３は第１のフレネルの複
プリズム２１によって中央で分割され、出射面２１ｂか
らの出射光が第２のフレネルの複プリズム２２の入射面
２２ｃに入射され、出射面２１ｃからの出射光が入射面
２２ｂに入射され、第１のフレネルの複プリズム２１に
よって中央で分割されたレーザ光が、その左右位置を入
れ換えた形に第２のフレネルの複プリズム２２によって
合成され、走査方向の中央部が低く、走査方向に垂直な
方向の両端にピークを持つ第２図(b)に示す如き強度分
布のレーザ光２４に変換される。
ここで、強度分布の二つのピークの間の距離ｄは第１及
び第２のフレネルの複プリズム２１，２２の頂角θ、屈
折率ｎ及びプリズム２１，２２間の距離ｌによって決ま
るが、ストライプ状の単結晶領域を形成するにはこの分
離距離ｄをほぼ分割前のガウス分布のレーザ光のビーム
径程度にするのが適当である。
今、発射されるレーザ光の径を2.0mmとした場合の数値
例を示すと、通常このようなレーザ光２３の強度分布の
変換は、ビームエキスパンダ４でレーザ光の径を拡大し
た方が容易であるため、本発明の実施に際しては第４図
の反射ミラー３の手前の「※」印で示した部分に本発明
に係る第１及び第２とフレネルの複プリズム２１，２２
を挿入し、ビームエキスパンダ４の倍率を2.5倍、プリ
ズム２１及び２２の頂角θをθ＝１７０゜とした場合、
第１及び第２のフレネルの複プリズム２１及び２２を約
ｌ＝83mm離して対向させれば良い。
上記構造からなる複プリズム２１，２２を通過したレー
ザ光２４は、走査方向の中央部が低く、走査方向に垂直
な方向の両端にピークを持つＭ字型の強度分布になる。
このようにして形成したＭ字型の強度分布のレーザ光２
４を走査光学系５内のレンズによって、焦点から一定の
距離の位置にピークの距離が数十μｍ程度になるように
縮少して試料に照射する。
このようなＭ字型の強度分布のレーザ光を用いる場合の
特徴は第７図及び第９図に示すような双峰型の強度分布
のレーザ光を形成する場合と比較して、より幅の広いス
トライプ状の単結晶領域を形成することが出来ることで
ある。なお、焦点位置に非常に近い位置では集束された
レーザ光の強度分布は回折により第７図に示す強度分布
に近くなるので、上記した特徴を生かすためには第２図
(b)に示す強度分布と相似な強度分布が形成される位置
に試料７を置くことが望ましい。
この点を酸化シリコン膜上の多結晶シリコンを単結晶化
する場合について説明する。
今、シリコン基板に１μｍの酸化膜を形成し、その上に
多結晶シリコンを600ｎｍ、反射防止膜として260ｎｍの
二酸化シリコン膜を形成する。焦点距離７０mmのレンズ
で前述の直径５mmのレーザ光を集束した場合、レーザパ
ワー７Ｗ、走査速度40mm/sec、基板加熱温度400℃で焦
点位置より約500μｍ離れた位置で良好な溶融が行なわ
れ、第７図、第９図及び本発明による第２図(b)に示す
強度分布のいずれの場合においても約５０μｍの溶融幅
のうち２５μｍ幅の領域が単結晶化された。
一方、レーザパワー１４Ｗでは、焦点位置より約700μ
ｍ離れた位置で良好な溶融が行なわれ、約８０μｍの溶
融領域のうち、第７図に示す強度分布では第８図に示す
ように４０μｍ幅の領域１３が単結晶化され、第９図に
示す強度分布では第１０図に示すように３０μｍ幅の領
域１３が単結晶化され、本発明における第２図(b)に示
す強度分布では第３図に示すように６０μｍ幅の領域１
３が単結晶化され、本発明によってより広い幅のストラ
イプ状単結晶を形成することが出来た。
＜発明の効果＞ 以上のように、本発明によれば、通常のレーザアニール
装置に簡単なプリズムを挿入追加する等の若干の変更を
加えるだけで、レーザ光源のビーム径に合わせて自在に
プリズムを調整して走査光学系への最適なビームを得る
ことができ、また双峰型ではなくＭ型の強度分布のレー
ザ光を形成できて、最も幅の広いストライプ状単結晶を
形成することが出来るレーザ光の強度分布を作ることが
出来、非晶質基板上に効率良く良質の単結晶薄膜を作製
することが出来る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明装置に用いられるフレネルの複プリズム
の構成をレーザ光の光路と共に示す図、第２図(a)は変
換前のガウス分布のレーザ光の強度分布を示す図、第２
図(b)は変換後のＭ字型のレーザ光の強度分布を示す
図、第３図は本発明装置によって得られる再結晶化の状
態を示す図、第４図はレーザアニール装置の基本的なブ
ロック構成を示す図、第５図はガウス分布のレーザ光の
強度分布を示す図、第６図はガウス分布のレーザ光の照
射により得られる再結晶化の状態を示す図、第７図はレ
ーザ光の双峰形の強度分布を示す図、第８図は双峰形の
強度分布のレーザ光の照射により得られる再結晶化の状
態を示す図、第９図はレーザ光の双峰形の強度分布の別
のタイプを示す図、第１０図は第９図に示す強度分布の
レーザ光の照射により得られる再結晶化の状態を示す図
である。 １……レーザ光源，４……ビームエキスパンダ，５……
走査光学系，７……試料，１１……非溶融領域，１２…
…粒径の増大した多結晶領域，１３……ストライプ状の
単結晶領域，２１……第１のフレネルの複プリズム，２
２……第２のフレネルの複プリズム，２３……レーザ光
（ガウス分布），２４……Ｍ字型の強度分布に変換され
たレーザ光。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】非単結晶薄膜にレーザ光を照射して溶融さ
    せ、該レーザ光を走査することにより上記薄膜を単結晶
    化させる単結晶薄膜の製造装置であって、 レーザ光源１と、 走査光学系５と、 頂角θの形成された面が対向するよう配置され、頂角θ
    の形成された面と反対側の面２１ａ，２２ａが平行に保
    持された一対のフレネルの複プリズム２１，２２とを具
    備してなり、 前記一対のフレネルの複プリズム２１，２２により、走
    査方向の中央部が低く、走査方向に垂直な方向の両端に
    ピークをもつレーザ光強度分布を形成することを特徴と
    する単結晶薄膜の製造装置。
JP59220684A 1984-10-03 1984-10-19 単結晶薄膜の製造装置 Expired - Lifetime JPH0656834B2 (ja)

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Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３９（６），１５Ｓｅｐｔ．１９８１，ＰＰ．４９８〜５００

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