JPH11176752A - シリコン薄膜の形成方法及びシリコン薄膜の形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンの気化を抑制することにより、光透
過窓の透過率の低下を防いで、再現性の高いシリコン薄
膜の形成方法を提供し、また、製造コスト及び装置維持
コストの低減が可能なシリコン薄膜の形成装置を提供す
る。 【解決手段】 非晶質シリコン薄膜１１１ａが表面に形
成された基板１１１を収納する密閉容器１０５と、非晶
質シリコン薄膜１１１ａに照射されて非晶質シリコン薄
膜１１１ａを所定の熱処理温度まで加熱するための光１
０３を発振する光源１０１と、密閉容器１０５に設けら
れ、光源１０１からの光１０３を透過して密閉容器１０
５内に導入するための光透過窓１０６と、密閉容器１０
５の圧力が、熱処理温度におけるシリコン蒸気圧よりも
高くなるように密閉容器１０５の圧力を制御する制御手
段１２２とを具備することを特徴とするシリコン薄膜の
形成装置１２１を採用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
た非晶質シリコン薄膜に光を照射して、前期非晶質シリ
コン薄膜を加熱して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン
薄膜の形成方法及び形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）を形成する代表的な技術として、水素化アモルファ
ス半導体ＴＦＴ技術及び多結晶シリコンＴＦＴ技術が挙
げられる。前者は製造工程における最高温度が３００℃
程度であり、１ｃｍ²／Ｖｓｅｃ程度のキャリア移動度
を実現している。後者は、例えば石英基板を用いてＬＳ
Ｉと類似した１０００℃程度のアニール処理を経て、キ
ャリア移動度３０〜１００ｃｍ²／Ｖｓｅｃの性能を得
ることができる。このような高いキャリア移動の実現
は、たとえば上記ＴＦＴを液晶ディスプレイに応用した
場合、各画素を駆動する画素ＴＦＴの形成と同時に、周
辺駆動回路部までも同一ガラス基板上に同時に形成する
ことが可能であり、製造コストの低減や、機器の小型化
を図ることができる。

【０００３】ところが、多結晶シリコンＴＦＴの製造工
程において、上述のような高温プロセスを行う場合に
は、安価な低軟化点ガラスを基板として用いることがで
きない。そこで多結晶シリコンＴＦＴの製造工程におけ
るアニール温度の低減が必要になっており、レーザ結晶
化技術を応用した結晶質シリコン薄膜の低温形成技術が
研究、開発されている。

【０００４】そこで、従来の多結晶シリコンＴＦＴの製
造における結晶質シリコン薄膜の形成方法及び形成装置
を図面を参照して説明する。図１２に示す従来のシリコ
ン薄膜の形成装置には、シリコンの溶融が可能なパルス
レーザ光１０を発振するパルスレーザ光源１１と、ミラ
ー１２、１２、１２と、発振されたパルスレーザ光１０
の空間的な強度の均一化を行うためのビームホモジナイ
ザ１４と、Ｘ、Ｙ方向に移動が可能なＸＹステージ１７
と、ＸＹステージ１７を収納する密閉容器２２とが備え
られている。密閉容器２２には、パルスレーザ光１０を
透過して密閉容器２２内に導入するための光透過窓２０
が設けられている。更に、密閉容器２２には、図示しな
い真空ポンプが接続されており、密閉容器２２内を減圧
できるように構成されている。また、ＸＹステージ１７
上には、ガラス基板１５が載置されている。ガラス基板
１５の表面には、非晶質シリコン薄膜１６が形成されて
いる。

【０００５】ＸＹステージ１７は、ガラス基板１５の面
積に対してパルスレーザ光１０の照射範囲の面積が小さ
いために、ガラス基板１５上の任意の位置へのパルスレ
ーザ光１０の照射が可能となるように、ガラス基板１５
を移動させることができるように構成されている。ま
た、ＸＹステージ１７の代わりに、上述のミラー１２、
１２、１２及びビームホモジナイザ１４といった光学素
子群を駆動させることや、光学素子群とＸＹステージ１
７を同時に駆動させる方法により、ガラス基板１５上の
任意の位置へパルスレーザ光１０を照射させることも可
能である。

【０００６】また、上述のシリコン薄膜の形成装置に
は、密閉容器２２内に、ガラス基板用カセット１８と基
板搬送横構１９とが備えられており、ガラス基板用カセ
ット１８に収納されたガラス基板１５を、密閉容器２２
から外部に出すことなくＸＹステージ１７に移動させる
ことができるように構成されている。

【０００７】次に、ガラス基板１５上に形成された非晶
質シリコン薄膜１６を結晶化する方法を説明する。ま
ず、密閉容器２２内を真空ポンプで減圧して所定の圧力
に設定する。次に、パルスレーザ光源１１から発振され
たパルスレーザ光１０が、ミラー１２、１２、１２及び
ビームホモジナイザ１４の光学素子群によって規定され
る光路を経て、被照射体であるガラス基板１５上の非晶
質シリコン薄膜１６に到達する。非晶質シリコン薄膜１
６は、パルスレーザ光１０によって局部的に溶融され直
ちに冷却されて結晶相が析出し、結晶質シリコン薄膜と
なる。次に、ＸＹステージ１７を移動させてガラス基板
１５上の他の部分にパルスレーザ光１０を照射し、上述
と同様にして結晶質シリコン薄膜を形成させる。

【０００８】このようにして、順次パルスレーザ光１０
をガラス基板１５上の非晶質シリコン薄膜１６に照射す
ることにより、シリコンを非晶質から結晶質に変化さ
せ、結晶質シリコン薄膜を形成することができる。

【０００９】しかし、上述のシリコン薄膜の形成装置に
おいては、パルスレーザ光１０の照射による溶融結晶化
が密閉容器２２中で行われるため、被照射体である非晶
質シリコン薄膜１６からシリコンが気化して光透過窓２
０に付着し、付着したシリコンがパルスレーザ光１０の
光エネルギーによって光透過窓２０に化学的に強固に結
合し、パルスレーザ光１０の透過率が低下してしまうと
いう課題があった。

【００１０】そこで、図１３に示すように、光透過窓２
０の直下にガス給気管２１ａと排気管２１ｂとを設け、
窒素ガスをガス給気管２１ａから排気管２１ｂに向けて
流し、光透過窓２０への気化したシリコンの付着を、窒
素ガス流によるシールドで防止する方法が提案されてい
る（特開平９一１３９３５６号）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
方法では、設定した密閉容器内の圧力によってその効果
が異なるという問題があった。即ち、密閉容器の圧力に
よってシリコンの蒸気圧が異なるため、低圧でパルスレ
ーザ光による熱処理を行えばシールド用の窒素流量が減
少し、シールドの効果が減少してしまうという課題があ
った。

【００１２】また、窒素ガスを光透過窓２０の直下に流
す際において、窒素ガス中の不純物、特に炭化水素等の
有機物がレーザ光と反応して反応生成物が光透過窓２０
に堆積し、レーザ光の透過率を低下させてしまうという
課題があった。

【００１３】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、シリコンの気化を抑制することに
より、光透過窓の透過率の低下を防いで、再現性の高い
シリコン薄膜の形成方法を提供することを目的とする。

【００１４】また、光透過窓の透過率低下を最小限に抑
制することにより、製造コスト及び装置維持コストの低
減が可能なシリコン薄膜の形成装置を提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成を採用した。請求項１に記載
のシリコン薄膜の形成方法は、基板上に形成された非晶
質シリコン薄膜に光を照射して、前期非晶質シリコン薄
膜を所定の熱処理温度まで加熱して結晶質シリコン薄膜
を得るシリコン薄膜の形成方法において、前記光の照射
が前記熱処理温度におけるシリコンの蒸気圧よりも高い
圧力の雰囲気中で行うことを特徴とする。

【００１６】請求項２に記載のシリコン薄膜の形成方法
は、請求項１に記載のシリコン薄膜の形成方法におい
て、前記雰囲気は、純度９９．９９９９％以上の不活性
ガスであることを特徴とする。

【００１７】請求項３に記載のシリコン薄膜の形成方法
は、基板上に形成された非晶質シリコン薄膜に光を照射
して、前期非晶質シリコン薄膜を所定の熱処理温度まで
加熱して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン薄膜の形成
方法において、前記非晶質シリコン薄膜上に該非晶質シ
リコンよりも高い蒸気圧を有する気化防止膜を形成した
後に、大気に暴露させることなく、前記光を照射するこ
とを特徴とする。

【００１８】請求項４に記載のシリコン薄膜の形成方法
は、基板上に形成された非晶質シリコン薄膜に光を照射
して、前期非晶質シリコン薄膜を所定の熱処理温度まで
加熱して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン薄膜の形成
方法において、前記非晶質シリコン薄膜上に該非晶質シ
リコン薄膜よりも溶融潜熱が大きい保護皮膜を形成した
後に、前記光を照射することを特徴とする。

【００１９】請求項５に記載のシリコン薄膜の形成方法
は、請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン薄膜の形
成方法において、前記光の照射範囲が矩形であり、か
つ、前記矩形の長さ方向に対する前記光の強度の分布が
その最大強度が均一であるトップフラット部と、該トッ
プフラット部の両端から強度が減少する傾斜部とからな
り、ｎ＋１回目に照射される光の照射位置を、該光の前
記傾斜部の任意の位置が、ｎ回目に照射される光により
形成された前記結晶質シリコン薄膜と非結晶質シリコン
薄膜との境界よりも少なくとも結晶質シリコン薄膜側に
位置するように照射し、前記任意の位置は、前記トップ
フラット部の強度よりも、結晶質シリコン薄膜を所定の
温度まで加熱させる光の強度と非晶質シリコン薄膜を前
記所定の温度まで加熱させる光の強度との差分だけ小さ
い強度の位置であることを特徴とする。

【００２０】請求項６に記載のシリコン薄膜の形成装置
は、非晶質シリコン薄膜が表面に形成された基板を収納
する密閉容器と、前記非晶質シリコン薄膜に照射されて
該非晶質シリコン薄膜を所定の熱処理温度まで加熱する
ための光を発振する光源と、前記密閉容器に設けられ、
前記光源からの光を透過して前記密閉容器内に導入する
ための光透過窓と、前記密閉容器の圧力が、前記熱処理
温度におけるシリコン蒸気圧よりも高くなるように前記
密閉容器の圧力を制御する制御手段とを具備することを
特徴とする。

【００２１】請求項７に記載のシリコン薄膜の形成装置
は、非晶質シリコン薄膜が表面に形成された基板を収納
する密閉容器と、前記非晶質シリコン薄膜に照射されて
該非晶質シリコン薄膜を所定の熱処理温度まで加熱する
ための光を発振する光源と、前記密閉容器に設けられ、
前記光源からの光を透過して前記密閉容器内に導入する
ための光透過窓と、前記光透過窓に不活性ガスを吹き付
けるために前記密閉容器内の前記光透過窓の下側に設け
られた不活性ガス給気管と、前記光透過窓に吹き付けら
れた不活性ガスを、前記基板に向けて流した後に前記密
閉容器の外部に排気させるために、前記基板の下側に設
けられた排気管とを具備することを特徴とする。

【００２２】請求項８に記載のシリコン薄膜の形成装置
は、非晶質シリコン薄膜が表面に形成された基板を収納
する密閉容器と、前記非晶質シリコン薄膜に照射されて
該非晶質シリコン薄膜を所定の熱処理温度まで加熱する
ための光を発振する光源と、前記密閉容器に設けられ、
前記光源からの光を透過して前記密閉容器内に導入する
ための光透過窓と、前記光透過窓に酸素ガスを吹き付け
るために前記密閉容器内の前記光透過窓の下側に設けら
れた酸素ガス給気管とを具備することを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１に示すシリコン薄膜の形成装
置１２１には、非晶質シリコン薄膜１１１ａが表面に形
成された基板１１１を収納する密閉容器１０５と、非晶
質シリコン薄膜１１１ａに照射されて非晶質シリコン薄
膜１１１ａを所定の熱処理温度まで加熱するための光１
０３を発振する光源１０１と、密閉容器１０５に設けら
れ、光源１０１からの光１０３を透過して密閉容器１０
５内に導入するための光透過窓１０６と、密閉容器１０
５の圧力が、熱処理温度におけるシリコン蒸気圧よりも
高くなるように密閉容器１０５の圧力を制御する制御手
段１２２とが備えられている。制御手段１２２は、光源
１０１からの光強度の信号を処理して、最適な雰囲気圧
力を決定し、その出力を排気バルブ１１３に伝達して密
閉容器１０５内の圧力を調整できるように構成されてい
る。

【００２４】また、図１に示すシリコン薄膜の形成装置
１２１には、光源１０１からの光１０３を所定のプロフ
ァイルの成形するための光学素子群１０２と、密閉容器
１０５の圧力を測定するための圧力計１０４と、光透過
窓１０６を固定する窓固定装置１０７と、不活性ガス等
をガス流量計１０９、給気バルブ１１０を介して密閉容
器１０５に導入するガス供給管１０８とが備えられてい
る。更に、密閉容器１０５には、基板１１１を載置する
ためのＸＹステージ１１２と、密閉容器１０５内の雰囲
気ガスを排気するために図示しない真空ポンプに接続さ
れた排気管１１４と、制御手段１２２の出力に応じて開
閉する排気バルブ１１３とが備えられている。

【００２５】光源１０１としては、Ｘｅ−Ｆ（３５１ｎ
ｍ）、Ｋｒ−Ｆ（２４８ｎｍ）等のエキシマパルスレー
ザを使用することができる。光１０３は、３×１５ｍｍ
の矩形状にそのビームプロファイルが光学素子群１０２
にによって成型され、基板１１１表面に到達する。たと
えば、基板サイズ３００×３５０ｍｍの基板のほぼ全面
に各１０パルスずつｌ照射を行うためには２３０００パ
ルス程度が必要になってくる。また、照射強度は４００
ｍＪ／ｃｍ²とするのが好ましい。

【００２６】また、図１に示すシリコン薄膜の形成装置
１２１には、通信装置１１６を介して演算装置１２０、
表示装置１１８、入力装置１１９からなるコントロール
ユニット１１７が接続されており、操作者のコマンド入
力、データ入力に応じて所望の処理がなされる。

【００２７】次に、上述のシリコン薄膜の形成装置１２
１によるシリコン薄膜の形成方法を説明する。このシリ
コン薄膜の形成方法は、基板１１１上に形成された非晶
質シリコン薄膜１１１ａに光１０３を照射して、非晶質
シリコン薄膜１１１ａを所定の熱処理温度まで加熱して
結晶質シリコン薄膜を得るシリコン薄膜の形成方法にお
いて、光１０３の照射が、熱処理温度におけるシリコン
の蒸気圧よりも高い圧力の雰囲気中で行われるものであ
る。

【００２８】まず、表面が平坦なガラス基板１１１（例
えば日本電気硝子社製ＯＡ−２ガラス、あるいはコーニ
ング社製１７３７ガラス、石英基板も含む）を酸または
アルカリで洗浄した後、基板１１１に二酸化シリコン膜
を形成する。形成方法はＬＰＣＶＤ法やＴＥＯＳ（Ｔｅ
ｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ，テオス）、シラン、
酸素、オゾン等を用いたプラズマＣＶＤ、常圧ＣＶＤ法
が可能である。高次シランや有機シリカ等の塗布膜を加
熱焼成したものであっても同様である。次に、再度上記
基板１１１を洗浄した後、ジシランガスを原料とするＬ
ＰＣＶＤ法を用いて、４５０℃にて非晶質シリコン薄膜
１１１ａを７５ｎｍ堆積する。堆積後、次工程を行う直
前に再び洗浄する。上記のように非晶質シリコン薄膜１
１１ａが形成された基板１１１を、ＸＹステージ１１２
上に配置する。いったん密閉容器１０５内を真空排気
（１０^-2〜１０^-6ｔｏｒｒ程度）したのち、ガス供給管
１０８より不活性ガスとしてＡｒガスを導入し７００ｔ
ｏｒｒを維持できるように、ガス流量計１０９、給気バ
ルブ１１０、排気バルブ１１３を制御する。７００ｔｏ
ｒｒに達した後、光源１０１を稼働し基板１１１へのＸ
ｅ−Ｃｌエキシマレーザ照射（３０８ｎｍ）を開始す
る。

【００２９】ここで、雰囲気を形成する不活性ガスの純
度は、９９．９９９９％以上であることが好ましい。不
活性ガスの純度を、９９．９９９９％以上とすることに
より、不活性ガス中の不純物の光反応による反応生成物
の光透過窓１０６への堆積を抑制することができる。シ
リコンの熱処理による溶融結晶化には比較的高い光の照
射強度が要求されるため、非晶質シリコン薄膜１１１ａ
の表面に集光される単位面積あたりの光強度は、光源１
０１から光学素子群１０２を経て光透過窓１０６に導か
れる各光学素子群１０２の位置に比べ大きくなる。光源
１０１から光透過窓１０６に至る光学素子群１０２の位
置では、光を集光していないので、単位面積あたりの光
の強度は低いが、照射体である非晶質シリコン薄膜１１
１ａに最も近接する光透過窓１０６においては、シリコ
ン表面と同等の強度の光が透過する。

【００３０】例えば、紫外レーザであるＫｒ−Ｆエキシ
マレーザ光源を光源１０１として用いた場合には、光学
素子群１０２の寿命の観点からも光学素子群１０２への
単位面積あたりの照射強度を小さくなるように設計され
る．したがって、例えば光学素子群１０２が比較的不純
物の多い大気中に設置されていても、単位面積あたりの
照射強度が小さいために大気中の不純物の影響を受けに
くい。ところが、光透過窓１０６においては、非常に強
い光１０３が照射されるために、純度の低い不活性ガス
を用いた場合には、不活性ガスが有する不純物の光反応
による反応生成物が光透過窓１０６に堆積し、光透過窓
１０６の光の透過率を低下させてしまうことになる．し
たがって、９９．９９９９％以上の純度の高い不活性ガ
スを用いることで、光透過窓１０６の光透過率を高く保
つことが可能となる。

【００３１】図２には、光１０３の照射により加熱され
たシリコンが達する温度の計算結果を示す。図２は、波
長３０８ｎｍのＸｅ−ＣＩエキシマレーザ光を照射する
光１０３として用い、厚さ１．１ｍｍの石英基板上に膜
厚７５ｎｍのシリコン薄膜を用いた場合の計算結果であ
る。シリコン薄膜としてＬＰＣＶＤ法で形成された非晶
質シリコンと、上記非晶質シリコンを６００℃で２４時
間熱処理し固相成長法により形成した多結晶シリコンと
に対してそれぞれ求めた。多結晶シリコンと非品質シリ
コンとでの計算結果の違いは３０８ｎｍのレーザ光に対
するシリコン表面での反射率、それぞれの溶融潜熱、融
点の違いによるものである。図２から明らかなように、
レーザ光の照射によるシリコン膜の到達温度はレーザ光
の照射強度から一義的に求められる。一方、温度とシリ
コンの蒸気圧との関係は、図３に示す通りである（参
考、「真空ハンドブック」日本真空技術社発行）。

【００３２】したがって、以上の関係を利用すると、所
望のレーザ光の照射強度から求められるシリコンの到達
最高温度におけるシリコンの蒸気圧よりも、雰囲気圧力
を高くすることにより、シリコンの気化を最小限に抑制
する。

【００３３】例えば、照射強度を４００ｍＪ／ｃｍ²と
した場合には、シリコンは約２３００℃程度に加熱され
る。このとき、密閉容器内１０５の圧力を５０ｔｏｒｒ
以上するように制御手段１２２によって制御するなら
ば、気化するシリコンの量が低減される。

【００３４】上述のシリコン薄膜の形成装置１２１によ
れば、密閉容器１０５の圧力が、熱処理温度におけるシ
リコン蒸気圧よりも高くなるように密閉容器１０５の圧
力を制御する制御手段１２２が備えられているので、光
の照射によるシリコンの気化を最小限にすることが可能
となり、光透過窓１０６への気化したシリコンの付着を
防ぐことができる。また、光の照射を行うときの雰囲気
が、純度が９９．９９９９％不活性ガスであるので、不
活性ガス中の不純物の光反応による反応生成物の光透過
窓１０６への堆積を防ぐことが可能となり、光透過窓１
０６の光透過率を高く保つことができる。

【００３５】次に、本発明の第２の実施の形態を図面を
参照して説明する。図４には、本発明の第２の実施の形
態であるシリコン薄膜の形成方法を実現するためのシリ
コン薄膜の形成装置を示す。なお、これらの図におい
て、前述した図１に示した構成要素と同一符号を付し、
その説明を省略する。

【００３６】図４に示すシリコン薄膜の形成装置１１５
には、光源１０１から発振する光１０３の強度を、雰囲
気圧力よりもシリコン蒸気圧が低くなるように調整する
ための制御手段１２３が備えられている。制御手段１２
３は、圧力計１０４からの密閉容器１０５内の圧力の信
号を処理して、最適な光１０３の強度を決定し、その結
果を光源１０１に出力するように構成されている。

【００３７】上述のシリコン薄膜の形成装置１１５にお
いては、上述したレーザ光の照射強度とシリコンの到達
最高温度との関係及び温度とシリコンの蒸気圧との関係
から、光の照射が熱処理温度におけるシリコンの蒸気圧
よりも高い圧力の雰囲気中で行われるように、光１０３
の強度を調整することにより、過剰なシリコンの気化を
抑制して、光透過窓１０６へのシリコンの付着を防ぐこ
とができる。

【００３８】次に、本発明の第３の実施の形態を図面を
参照して説明する。図５には、本発明の第３の実施の形
態であるシリコン薄膜の形成方法を実現するためのシリ
コン薄膜の形成装置を示す。なお、これらの図におい
て、前述した図１に示した構成要素と同一符号を付し、
その説明を省略する。図５において、このシリコン薄膜
の形成装置１３１には、ゲートバルブ１３０と、成膜室
１２４と、成膜室１２４からゲートバルブ１３０を介し
て基板１１１を大気に暴露させることなく密閉容器１０
５に移動させる基板移動機構１２５とが備えられてい
る。また、成膜室１２４には、基板ホルダ１２６と、上
部電極１２７と、成膜室１２４にシランガスを導入する
シランガス導入管１２８と、成膜室１２４に酸素ガスを
導入する酸素ガス導入管１２９と、図示しない真空ポン
プに接続された排気管１３３と、排気バルブ１３２とが
備えられている。

【００３９】次に、上述のシリコン薄膜の形成装置１３
１によるシリコン薄膜の形成方法を説明する。本発明の
シリコン薄膜の形成方法は、基板１１１上に形成された
非晶質シリコン薄膜１１１ａに光１０３を照射して、非
晶質シリコン薄膜１１１ａを所定の熱処理温度まで加熱
して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン薄膜の形成方法
において、非晶質シリコン薄膜１１１ａ上に非晶質シリ
コンよりも高い蒸気圧を有する気化防止膜１１１ｂを形
成した後に、大気に暴露させることなく、光１０３を照
射するものである。

【００４０】まず、表面が平坦なガラス基板１１１（例
えば日本電気硝子社製ＯＡ一２ガラス、あるいはコーニ
ング社製１７３７ガラス、石英基板も含む）を酸または
アルカリで洗浄した後、基板１１１に二酸化シリコン膜
を形成する。形成方法はＬＰＣＶＤ法やＴＥＯＳ（Ｔｅ
ｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ，テオス）、シラン、
酸素、オゾン等を用いたプラズマＣＶＤ、常圧ＣＶＤ法
が可能である。高次シランや有機シリカ等の塗布膜を加
熱焼成したものであっても同様である。次に、再度基板
１１１を洗浄した後、ジシランガスを原料とするＬＰＣ
ＶＤ法を用いて、４５０℃にて非晶質シリコン薄膜１１
１ａを７５ｎｍ堆積する。堆積後、次工程を行う直前に
再び洗浄する。

【００４１】以上の処理を施した基板１１１を成膜室１
２４に配置し、シラン及び酸素を成膜室１２４に導入
し、上部電極１２７を放電させてＣＶＤ法により非晶質
シリコンよりも蒸気圧の高い気化防止膜１１１ｂである
二酸化シリコン膜を形成する。二酸化シリコン膜の形成
後、原料ガスであるシランや酸素等を十分排気した後、
ゲートバルブ１３０を開けて密閉容器１０５に基板１１
１を移動する。このとき、例えば成膜室１２４と密閉容
器１０５との間に別途搬送室や他の成膜室が存在しても
差し支えない。このように移動された基板１１１に光１
０３を照射することにより、光透過窓１０６の透過率低
下を防ぐことが可能になる。即ち、光１０３の照射によ
って、非晶質シリコン薄膜１１１ａが溶融結晶化されて
結晶質シリコン薄膜となると同時に、シリコンが気化し
ようとするが、非晶質シリコン薄膜１１１ａの上に二酸
化シリコン膜からなる気化防止膜１１１ｂが形成されて
おり、シリコンの気化が防止される。

【００４２】上述のシリコン薄膜の形成方法は、非晶質
シリコン薄膜１１１ａ上に非晶質シリコンよりも高い蒸
気圧を有する気化防止膜１１１ｂを形成した後に、大気
に暴露させることなく、光を照射するものであるので、
シリコンの気化を防ぐことが可能となり、光透過窓１０
６の透過率の低下を防ぐことができる。また、あらかじ
め別の装置で気化防止膜１１１ｂを形成する場合には、
基板１１１を密閉容器１０５に配置する前に、基板１１
１を再度洗浄する必要があるが、本実施の形態によれば
気化防止膜１１１ｂである二酸化シリコン膜の形成後の
基板１１１の洗浄を省略することができる。

【００４３】また、成漠室１２４に基板１１１を配置す
る以前の洗浄工程において、洗浄工程によって形成可能
な不純物が少ない化学的な薄い酸化膜を表面につけたま
ま基板１１１を導入することが可能になる。更に、酸化
膜をフッ酸で除去したような活性なシリコン表面を大気
にさらすことなく密閉容器１０５内に導入が可能である
ため、ＭＯＳ界面への不純物の付着を防上できる。更
に、気化防止膜１１１ｂである二酸化シリコン膜を形成
した後のレーザ光の照射時にこの二酸化シリコン膜も同
時に熱処理されるため、良好なＭＯＳ界面を形成でき、
性能の低下を引き起こすこともないという利点もある。

【００４４】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。本発明の第４の実施の形態であるシリコン薄膜の形
成方法は、基板１１１上に形成された非晶質シリコン薄
膜１１１ａに光１０３を照射して、非晶質シリコン薄膜
１１１ａを所定の熱処理温度まで加熱して結晶質シリコ
ン薄膜を得るシリコン薄膜の形成方法において、非晶質
シリコン薄膜１１１ａ上に非晶質シリコン薄膜１１１ａ
よりも溶融潜熱が大きい保護皮膜１１１ｃを形成した後
に、光１０３を照射するものである。

【００４５】図６には、非晶質シリコン薄膜１１１ａ上
に、非晶質シリコン薄膜１１１ａよりも溶融潜熱が大き
い保護皮膜１１１ｃを形成した基板１１１を示す。それ
ぞれの膜の溶融潜熱は膜の構造によって異なるため、成
膜法によって選択することが可能である。代表的な例
（組み合わせ）を表１に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】ここでは、組み合わせ例１について述べ
る。基板１１１あるいは基板１１１を覆うように形成さ
れた二酸化シリコン上に、ジシランを原科とするＬＰＣ
ＶＤ法により４５０℃で非晶質シリコン薄膜１１１ａを
厚さ３００ｎｍで形成する。次にシランを原科とするＬ
ＰＣＶＤ法を用いて５８０℃で保護皮膜１１１ｃである
結晶質シリコン膜を４０ｎｍの厚さで形成する。このと
き同一装置で連続的に行ってもよく、２台の装置を用い
て順次行ってもかまわない。連続成膜を行えば保護皮膜
１１１ｃである結晶質シリコン膜の形成前の洗浄を省く
ことが可能になる。また、２台の装置を用いる場合は第
１層である非晶質シリコン薄膜１１１ａの表面が酸化さ
れやすいため、洗浄時等において酸化を防ぐような注意
が必要である。このような構成の基板１１１に光１０３
を照射した場合、表面の保護皮膜１１１ｃである結晶質
シリコン膜の溶融潜熱が大きいため、到達温度は非晶質
シリコン薄膜１１１ａよりも低くなる。しかも再結晶化
が開始される基板界面は非晶質であるため、全ての薄膜
が多結晶である構成よりもより低温度で溶融が可能とな
る。

【００４８】これは、図２に示すように、非晶質シリコ
ンと結晶質シリコンとを比較すると、主に反射率（結晶
質シリコンの方が非晶質シリコンよりも高い、例えば波
長２４８〜３０８ｎｍの場合）と溶融潜熱（結晶質の方
が非晶質よりも高い）のちがいにより、到達最高温度が
結晶質シリコンの方が小さくなる。従って、反射率が高
く溶融潜熱が大きい結晶質シリコンからなる保護皮膜１
１１ｃを非晶質シリコン薄膜１１１ａ上に形成すること
で、非晶質シリコン薄膜１１１ａを十分溶融させられる
と共に到達最高温度を非晶質シリコン薄膜１１１ａ単独
の場合に比べて低くしつつ、結晶質シリコン薄膜１１１
ｄを形成することが可能になる。

【００４９】次に、本発明の第５の実施の形態を説明す
る。本発明の第５の実施の形態であるシリコン薄膜の形
成方法は、前記光の照射範囲が矩形であり、かつ、前記
矩形の長さ方向に対する前記光の強度の分布がその最大
強度が均一であるトップフラット部と、該トップフラッ
ト部の両端から強度が減少する傾斜部とからなり、ｎ＋
１回目に照射される光の照射位置を、該光の前記傾斜部
の任意の位置が、ｎ回目に照射される光により形成され
た前記結晶質シリコン薄膜と非結晶質シリコン薄膜との
境界よりも少なくとも結晶質シリコン薄膜側に位置する
ように照射し、前記任意の位置は、前記トップフラット
部の強度よりも、結晶質シリコン薄膜を所定の温度まで
加熱させる光の強度と非晶質シリコン薄膜を前記所定の
温度まで加熱させる光の強度との差分だけ小さい強度の
位置であるものである。

【００５０】図７（ａ）は、照射範囲が矩形であり、か
つ、前記矩形の長さ方向に対する光の強度の分布がその
最大強度が均一であるトップフラット部と、トップフラ
ット部の両端から強度が減少する傾斜部とからなるレー
ザ光であって、トップフラット部の幅１ｍｍ、長さ２０
０ｍｍ、トップフラット部の幅の左右に存在する光強度
の傾斜部分の幅が０．２ｍｍのレーザ光を幅方向に順次
走査していく際のｎ回目の照射の時の、レーザ光のエッ
ジ近傍の様子を示す。また、図７（ｃ）には、図７
（ａ）のレーザ強度と照射位置との関係を示す。

【００５１】図７（ａ）において、ｎ回目に照射するレ
ーザ光４００のエッジは、ｎ−１回目の光照射により形
成された結晶質シリコン薄膜４０１と非晶質シリコン薄
膜４０２とが混在する部分に照射される。図７（ａ）及
び図７（ｃ）において、レーザ光４００の照射位置は、
その傾斜部の任意の位置（符号Ｚ）が、ｎ−１回目の光
の照射により形成された結晶質シリコン薄膜４０１と非
結晶質シリコン薄膜４０２との境界Ａよりも少なくとも
結晶質シリコン薄膜４０１側に位置することが好まし
い。

【００５２】また、任意の位置Ｚにおける光の強度は、
トップフラット部の強度よりも、結晶質シリコン薄膜を
所定の温度まで加熱させる光の強度と非晶質シリコン薄
膜を前記所定の温度まで加熱させる光の強度との差分だ
け小さい位置であることが好ましい。即ち、任意の位置
Ｚにおける強度の光によって加熱された非晶質シリコン
薄膜の４０２温度は、トップフラット部における強度の
光によって加熱された結晶質シリコン薄膜４０１よりも
低くなる。これは、図２に示すように、同じレーザ強度
においては、非晶質シリコンが結晶質シリコンよりも高
い温度まで加熱されるためである。

【００５３】例えば、図２の結果から類推すると、照射
強度が４００ｍＪ／ｃｍ²のときの０結晶質シリコンの
到達温度は非晶質シリコンの到達温度を基準に照射エネ
ルギーで１００ｍＪ／ｃｍ²程度弱い条件と同等である
ため、結晶質シリコン薄膜４０１と非晶質シリコン薄膜
４０２との境界に照射される光の強度を、トップフラッ
ト部に比べて１００ｍＪ／ｃｍ²程小さくなるように任
意の位置Ｚを決定した場合には、結晶質シリコン薄膜４
０１の温度は約１７００℃となり、非晶質シリコン薄膜
４０２の温度は、結晶質シリコン薄膜４０１との境界付
近で１７００℃となり、他の位置では照射されるレーザ
光の強度に応じて低くなる。

【００５４】このようにして、ｎ回目のレーザ光４００
を照射することにより、レーザ光の照射によって非晶質
から結晶質に変化する結晶化しきい値に相当する光の強
度の範囲（図７（ｃ）中Ａ〜Ｂ）までの非晶質シリコン
薄膜が結晶化されて、図７（ｂ）に示す新たな結晶質シ
リコン薄膜４０５が形成される。次に、ｎ＋１回目のレ
ーザ光４０４が上述と同様に照射されて新たな結晶質シ
リコン薄膜が順次形成される。

【００５５】図７（ｄ）に示すように、その傾斜部の任
意の位置（符号Ｚ）が、ｎ−１回目の光の照射により形
成された結晶質シリコン薄膜４０１と非結晶質シリコン
薄膜４０２との境界Ａよりも非晶質シリコン薄膜４０２
側に位置するようにｎ回目のレーザ光４００が照射され
た場合には、任意の位置Ｚにおける強度よりも強い光が
非晶質シリコン薄膜４０２に照射されることとなり、非
晶質シリコン薄膜４０２の温度が、トップフラット部に
おける強度の光によって結晶質シリコン薄膜４０１が加
熱されて達する温度よりも高くなり、非晶質シリコン薄
膜からシリコンが気化して光透過窓１０６に付着し、光
透過窓１０６の光透過率を低下させてしまうので好まし
くない。

【００５６】上述のシリコン薄膜の形成方法によれば、
前記光の照射範囲が矩形であり、かつ、前記矩形の長さ
方向に対する前記光の強度の分布がその最大強度が均一
であるトップフラット部と、該トップフラット部の両端
から強度が減少する傾斜部とからなり、ｎ＋１回目に照
射される光の照射位置を、該光の前記傾斜部の任意の位
置が、ｎ回目に照射される光により形成された前記結晶
質シリコン薄膜と非結晶質シリコン薄膜との境界よりも
少なくとも結晶質シリコン薄膜側に位置するように照射
し、前記任意の位置は、前記トップフラット部の強度よ
りも、結晶質シリコン薄膜を所定の温度まで加熱させる
光の強度と非晶質シリコン薄膜を前記所定の温度まで加
熱させる光の強度との差分だけ小さい強度の位置である
ので、非晶質シリコン薄膜の過剰な温度上昇を防ぐこと
が可能となり、シリコンの気化を防止して光透過窓への
シリコンの付着を防止することができる。

【００５７】次に、本発明の第６の実施の形態を図面を
参照して説明する。図８には、本発明の第６の実施の形
態であるシリコン薄膜の形成装置を示す。なお、これら
の図において、前述した図１に示した構成要素と同一符
号を付し、その説明を省略する。

【００５８】図８に示すシリコン薄膜の形成装置１３６
には、光透過窓１０６に不活性ガスを吹き付けるために
密閉容器１０５内の光透過窓１０６の下側に設けられた
不活性ガス給気管１３４と、光透過窓１０６に吹き付け
られた不活性ガスを基板１１１に向けて流した後に密閉
容器１０５の外部に排気させるために、基板１１１の下
側に配置された排気管１３５と排気バルブ１３９とが備
えられている。

【００５９】上述のシリコン薄膜の形成装置１３６にお
いては、光透過窓１０６の表面に常に清浄な不活性ガス
が吹き付けられると共に、相対的に光透過窓近傍の雰囲
気圧力が高くなり、光透過窓１０６から排気管１３５に
向かってガス流が発生するため、気化したシリコンは光
透過窓１０６近傍に滞留することなく排出される。

【００６０】従って、上述のシリコン薄膜の形成装置１
３６においては、光透過窓１０６に向けて不活性ガスを
吹き付けるための不活性ガス給気管１３４と、光透過窓
１０６に吹き付けられた不活性ガスが基板１１１に向け
て流れた後に排気するための排気管１３５とが備えられ
ているので、気化したシリコンが光透過窓１０６付近で
滞留することなく速やかに排出され、光透過窓１０６へ
のシリコンの堆積を防ぐことができる。

【００６１】次に、本発明の第７の実施の形態を図面を
参照して説明する。図９には、本発明の第７の実施の形
態であるシリコン薄膜の形成装置を示す。なお、これら
の図において、前述した図１に示した構成要素と同一符
号を付し、その説明を省略する。

【００６２】図９に示すシリコン薄膜の形成装置１３８
には、光透過窓１０６に向けて酸素ガスを吹き付けるた
めに密閉容器１０５内に光透過窓１０６の下側に設けら
れた酸素ガス給気管１３７が備えられている。また、シ
リコン薄膜の形成装置１３８には、不活性ガスを非晶質
シリコン薄膜１１１ａに吹き付けるためにＸＹステージ
１１２の上方に配置された基板側給気管１５４と、流量
計１５３と、バルブ１５２とが備えられている。

【００６３】シリコン薄膜の形成装置１３８の動作を以
下に説明する。非晶質シリコン薄膜１１１ａを表面に形
成させた基板１１１を密閉容器１０５内に配置した後
に、基板１１１の光１０３が照射される領域近傍に向け
て、基板側給気管１５４より不活性ガスを吹き付ける。
更に、排気バルブ１３９を制御し、密閉容器１０５内の
圧力が７００ｔｏｒｒになるようにする。レーザ光の照
射を開始する前に、酸素ガス吸気管１３７から酸素（純
度９９．９９９９％以上のガスが望ましい）を導入し、
光透過窓１０６に向けて吹き付ける。酸素の分圧は不活
性ガスの１％程度に制御する。酸素の流量が安定した後
に光１０３の照射を開始する。

【００６４】光照射中に光透過窓１０６表面に向けて酸
素が供給されると、酸素は、非晶質シリコン薄膜１１１
ａから気化したシリコンと光透過窓１０６表面で光のエ
ネルギーにより反応して二酸化シリコンとなり、光透過
窓１０６に堆積して皮膜を形成する。この二酸化シリコ
ンによる皮膜は、レーザ光の透過率が高いので、光透過
窓１０６の光透過率を低下させることがない。

【００６５】上述のシリコン薄膜の形成装置１３８にお
いては、光透過窓１０６に向けて酸素ガスを吹き付けて
光透過窓１０６の表面に光透過率の高い二酸化シリコン
の皮膜を形成させるので、光透過窓１０６の光透過率の
低下を防ぐことができる。

【００６６】図１０（ａ）〜図１０（ｊ）には、本発明
のシリコン薄膜の形成方法及びシリコン薄膜の形成装置
によるＴＦＴの製造工程の一例を示す。図１０（ａ）に
おいて、平坦なガラス基板５０１上に、ＬＰＣＶＤ法、
プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法により、基板上に二酸
化シリコン膜５０８を形成する。次に、図１０（ｂ）に
おいて、二酸化シリコン膜５０８の上に、ジシランガス
を原料としてＬＰＣＶＤ法により、厚さ７５ｎｍの非晶
質シリコン薄膜を形成し、図４に示すシリコン薄膜の形
成装置により、７００ｔｏｒｒのＡｒ雰囲気中で光を照
射（図中矢印）して結晶質シリコン薄膜５０２を形成す
る。

【００６７】次に、図１０（ｃ）において、二酸化シリ
コン膜５０３を１０ｎｍ形成する。ここでは図１０
（ａ）における二酸化シリコン膜５０８の形成に使用し
た成膜法と同様の作成手段を採ることができる。また、
上記結晶質シリコン薄膜５０２の形成後大気にさらすこ
となく二酸化シリコン形成室に搬送し、二酸化シリコン
膜５０３の形成が行われることがより望ましい。次に、
図１０（ｄ）及び図１０（ｈ）において、結晶質シリコ
ン薄膜５０２と二酸化シリコン膜５０３とをアイランド
パターン化する。このとき、二酸化シリコン膜５０３の
方がやや小さめにパターン化することによって、ゲート
リークの発生を抑制することが可能になる。次に、図１
０（ｅ）及び図１０（ｉ）において、二酸化シリコン膜
５０４を形成して結晶質シリコン薄膜５０２を被覆した
のち、ｎ＋シリコンを、プラズマＣＶＤ法あるいはリン
をドープした非晶質シリコンを形成してレーザあるいは
ランプ加熱などでの活性化する方法等によって形成した
後、Ａｌ層をスパッタにて形成後、パターン化しゲート
電極５０５とする。ここではＡｌに限らず、タングステ
ン、モリブデン、タンタル、銅等の金属やタングステン
シリサイド、モリブデンシリサイド等のシリサイド膜、
あるいはそれらの積層体であってもよい。

【００６８】次に、図１０（ｆ）及び図１０（ｊ）にお
いて、質量分離を行わないイオンドーピング法、プラズ
マドーピングや質量分離により所望のイオンのみを選択
できるイオン注入法等によってソースドレイン領域５０
９を形成する。更に、図１０（ｇ）において、層間絶縁
膜５０６を形成し、コンタクトホールの部分にＡｌ配線
５０７を形成してＴＦＴを製造する。

【００６９】以上のような方法によれば、レーザ照射時
のプロセス再現性、長期安定性が確保され、ＴＦＴある
いはＴＦＴを能動素子として用いた液晶ディスプレイや
イメージセンサの製品歩留まりの高い製造法を提供する
ことが可能となる。

【００７０】また、図１１（ａ）〜図１１（ｊ）には、
本発明のシリコン薄膜の形成方法及びシリコン薄膜の形
成装置によるＴＦＴの製造工程の別の一例を示す。図１
１（ａ）では、平坦なガラス基板５０１上に、ＬＰＣＶ
Ｄ法、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法により、基板５
０１上に二酸化シリコン膜５０８を形成する。次に、図
１１（ｂ）において、二酸化シリコン膜５０８の上に、
ジシランガスを原料としてＬＰＣＶＤ法により、厚さ７
５ｎｍの非晶質シリコン薄膜５０９を形成する。この基
板５０１を、図５に示すシリコン薄膜の形成装置の成膜
室に配置した後、非晶質シリコンよりも蒸気圧の高い二
酸化シリコン膜５０３を形成する。次に、図１１（ｃ）
において、図５に示すシリコン薄膜の形成装置の密閉容
器に基板５０１を搬送し、７００ｔｏｒｒのＡｒ雰囲気
中で光を照射（図中矢印）して結晶質シリコン薄膜５０
２を形成する。

【００７１】次に、図１１（ｄ）及び図１１（ｈ）にお
いて、結晶質シリコン薄膜５０２と二酸化シリコン膜５
０３とをアイランドパターン化する。このとき、二酸化
シリコン膜５０３の方がやや小さめにパターン化するこ
とによって、ゲートリークの発生を抑制することが可能
になる。次に、図１１（ｅ）及び図１１（ｉ）におい
て、二酸化シリコン膜５０４を形成し結晶質シリコン薄
膜５０２を被覆したのち、ｎ＋シリコンを、図１０
（ｅ）と同様にして形成した後、Ａｌ層をスパッタにて
形成後、パターン化しゲート電極５０５とする。

【００７２】次に、図１１（ｆ）及び図１１（ｊ）にお
いて、図１０（ｆ）と同様にして、ソースドレイン領域
５０９を形成する。更に、図１１（ｇ）において、層間
絶縁膜５０６を形成し、コンタクトホールの部分にＡｌ
配線５０７を形成してＴＦＴを製造する。

【００７３】

【実施例】（実施例１）図８に示すシリコン薄膜形成装
置１３６を用いてガラス基板上に結晶質シリコン薄膜を
形成した。以下に具体的な手順を述べる。

【００７４】まず、表面が平坦な３００×３５０ｍｍの
ガラス基板（例えば日本電気硝子社製ＯＡ−２ガラス、
あるいはコーニング社製１７３７ガラス、石英基板も含
む）を酸またはアルカリで洗浄した後、基板に二酸化シ
リコン膜を形成した。形成方法はＬＰＣＶＤ法やＴＥＯ
Ｓ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ，テオス）、
シラン、酸素、オゾン等を用いたプラズマＣＶＤ、常圧
ＣＶＤ法が可能である。高次シランや有機シリカ等の塗
布膜を加熱焼成したものであっても同様である。次に、
再度基板を洗浄した後、ジシランガスを原料とするＬＰ
ＣＶＤ法を用いて、４５０℃にて非晶質シリコン薄膜を
７５ｎｍ堆積する。堆積後、次工程を行う直前に再び洗
浄する。

【００７５】上記のように非晶質シリコン薄膜が形成さ
れた基板１１１を、ＸＹステージ１１２上に配置する。
一旦密閉容器１０５内を真空排気（１０^-2〜１０^-6ｔｏ
ｒｒ程度）したのち、不活性ガス供給管１３４よりＡｒ
ガスを導入し７００ｔｏｒｒを維持できるように、ガス
流量計１０９、給気バルブ１１０、排気バルブ１３９を
制御した。７００ｔｏｒｒに達した後、光源１０１を稼
働し基板１１１へのＫｒ−Ｆエキシマレーザ照射（２４
８ｎｍ）を開始した。レーザ光は３×１５ｍｍの矩形状
にそのビームプロファイルが成形されたものを基板１１
１表面に向けて照射位置をずらしつつ２３０００回照射
して結晶質シリコン薄膜を形成した。照射強度は４００
ｍＪ／ｃｍ²とした。

【００７６】また、密閉容器１０５内の圧力を表２に示
すように設定した。圧力調整のために、不活性ガス吸気
管１３４から窒素ガスを導入した。更に、圧力が２０ｔ
ｏｒｒの場合に、光透過窓１０６に窒素ガスを吹き付け
ながら、排気バルブ１３９を若干開けて窒素ガスが基板
１１１に向けて流れるようにしつつ光を照射する実験も
行った。

【００７７】各圧力条件で、光透過窓１０６の透過率が
最初の状態から５％低下するまでに要するレーザのパル
ス数と、その時点での基板の処理枚数を表２に示す。

【００７８】

【表２】

【００７９】実験例３と実験例４とを比較すると、光透
過窓１０６に向けて窒素ガスを吹き付けた場合（実験例
３）が、処理枚数が多くなることがわかる。上述のシリ
コン薄膜の形成装置１３６によれば、窒素ガスの流れを
形成させることにより、気化したシリコンを速やかに密
閉容器１０５の外部に排気することが可能であると共
に、光透過窓１０６の近傍で気化したシリコンが滞留す
ることがないので、光透過窓１０６にシリコンが付着す
ることなく、透過率の減少が防がれたことによると推定
される。

【００８０】また、上述の効果は、密閉容器１０５内の
圧力が高いほど有効であることが表２からも明らかであ
る。図２から推測できるように（光源が異なるために厳
密にはそのまま当てはまることはないが）、４００ｍＪ
／ｃｍ²の照射強度では非晶質から結晶質への相変化を
起こすレーザ照射時に、シリコン薄膜の温度は２３００
℃程度に到達する。このときの蒸気圧が５０ｔｏｒｒ程
度であることから、蒸気圧に比べて密閉容器１０５内の
圧力を高くすることが有効であることが示唆された。

【００８１】（実施例２）密閉容器１０５内の圧力を７
６０ｔｏｒｒ、雰囲気ガスを窒素又は高純度窒素とした
こと以外は実施例１と同様にして基板上の非晶質シリコ
ン薄膜にレーザ光を照射して結晶質シリコン薄膜を形成
した。光透過窓１０６の透過率が最初の状態から３％低
下した時点でのレーザ光のパルス数を表３に示す。不純
物濃度の高い実験例６の方が、明らかに少ないパルス数
で透過率の低下が起きていることがわかる。

【００８２】

【表３】

【００８３】（実施例３）図９に示すシリコン薄膜形成
装置１３８を用いてガラス基板上に結晶質シリコン薄膜
を形成した。以下に具体的な手順を述べる。

【００８４】まず、表面が平坦な３００×３５０ｍｍの
ガラス基板（例えば日本電気硝子社製ＯＡ−２ガラス、
あるいはコーニング社製１７３７ガラス、石英基板も含
む）を酸またはアルカリで洗浄した後、基板に二酸化シ
リコン膜を形成した。形成方法はＬＰＣＶＤ法やＴＥＯ
Ｓ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ，テオス）、
シラン、酸素、オゾン等を用いたプラズマＣＶＤ、常圧
ＣＶＤ法が可能である。高次シランや有機シリカ等の塗
布膜を加熱焼成したものであっても同様である。次に、
再度基板を洗浄した後、ジシランガスを原料とするＬＰ
ＣＶＤ法を用いて、４５０℃にて非晶質シリコン薄膜を
７５ｎｍ堆積する。堆積後、次工程を行う直前に再び洗
浄する。

【００８５】上記のように非晶質シリコン薄膜が形成さ
れた基板１１１を、ＸＹステージ１１２上に配置する。
いったん密閉容器１０５内を真空排気（１０^-2〜１０^-6
ｔｏｒｒ程度）したのち、基板側吸気管１５４より窒素
ガスを導入し７００ｔｏｒｒを維持できるように、ガス
流量計１５３、給気バルブ１５２、排気バルブ１３９を
制御した。次に、酸素ガス吸気管１３７から純度９９．
９９９９％の酸素ガスを光透過窓１０６に吹き付けた。
酸素の分圧は、窒素の１％程度に制御した。酸素の流量
が安定した後に、光源１０１を稼働し基板へのＫｒ−Ｆ
エキシマレーザ照射（２４８ｎｍ）を開始した。レーザ
光は３×１５ｍｍの矩形状にそのビームプロファイルが
成形されたものを基板表面に向けて照射位置をずらしつ
つ２３０００回照射して結晶質シリコン薄膜を形成し
た。照射強度は４００ｍＪ／ｃｍ²とした。また、酸素
ガス吸気管１３７から窒素ガスを光透過窓１０６に吹き
付けてレーザ照射する実験も行った。

【００８６】各条件で、光透過窓１０６の透過率が最初
の状態から５％低下するまでに要するレーザのパルス数
と、その時点での基板の処理枚数を表４に示す。

【００８７】

【表４】

【００８８】表４から明らかなように、酸素を光透過窓
に吹き付けつつ光を照射することにより、透過率の低下
を３倍程度改善できることがわかる。光透過窓１０６に
対流によって到達する活性な気化したシリコン原子を酸
化し、、光透過窓１０６に酸化物として堆積させること
ができたためである。なお、このとき、基板に向けて吹
き付ける窒素ガスには以下の２点の利点を有する。即
ち、レーザ溶融再結晶化中の非常に活性なシリコンが酸
素によって酸化されることを防ぐ、レーザが照射される
シリコン表面近傍の雰囲気圧力が密閉容器内で相対的に
大きくなるため、気化するシリコンの低減を図る、とい
った効果である。

【００８９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
シリコン薄膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質
シリコン薄膜に光を照射して、前期非晶質シリコン薄膜
を所定の熱処理温度まで加熱して結晶質シリコン薄膜を
得る際に、前記光の照射を前記熱処理温度におけるシリ
コンの蒸気圧よりも高い圧力の雰囲気中で行なうので、
光照射によるシリコンの気化が抑制され、気化したシリ
コンの光透過窓への付着が防止されて光透過窓の透過率
の低下が防止されるので、再現性の高いシリコン薄膜を
形成することができる。また、前記雰囲気は、純度９
９．９９９９％以上の不活性ガスであるので、不活性ガ
スに含まれる不純物の光反応による反応生成物による光
透過窓の透過率の低下を防止することができる。

【００９０】また、本発明のシリコン薄膜の形成方法
は、前記非晶質シリコン薄膜上に該非晶質シリコンより
も高い蒸気圧を有する気化防止膜を形成した後に、前記
光を照射するので、気化防止膜によりシリコンの気化が
抑制され、気化したシリコンの光透過窓への付着が防止
されて光透過窓の透過率の低下が防止されるので、再現
性の高いシリコン薄膜を形成することができる。また、
気化防止膜を形成した後に、大気に暴露させることなく
光照射を行うので、基板の洗浄等を行う必要がなく、工
程の簡素化が図れる。更に、不純物の混入を少なくする
ことができる。

【００９１】更に、本発明のシリコン薄膜の形成方法
は、前記非晶質シリコン薄膜上に該非晶質シリコン薄膜
よりも溶融潜熱が大きい保護皮膜を形成した後に、前記
光を照射するので、前記非晶質シリコン薄膜を十分に溶
融させるので、結晶質シリコン薄膜の結晶性を十分に高
めることができる。また、前記非晶質シリコン薄膜単独
の場合と比較して、最高到達温度を低くすることが可能
となるので、シリコンの気化が抑制され、気化したシリ
コンの光透過窓への付着が防止されて光透過窓の透過率
の低下が防止されるので、再現性の高いシリコン薄膜を
形成することができる。

【００９２】本発明のシリコン薄膜の形成方法は、前記
光の照射範囲が矩形であり、かつ、前記矩形の長さ方向
に対する前記光の強度の分布がその最大強度が均一であ
るトップフラット部と、該トップフラット部の両端から
強度が減少する傾斜部とからなり、ｎ＋１回目に照射さ
れる光の照射位置を、該光の前記傾斜部の任意の位置
が、ｎ回目に照射される光により形成された前記結晶質
シリコン薄膜と非結晶質シリコン薄膜との境界よりも少
なくとも結晶質シリコン薄膜側に位置するように照射
し、前記任意の位置は、前記トップフラット部の強度よ
りも、結晶質シリコン薄膜を所定の温度まで加熱させる
光の強度と非晶質シリコン薄膜を前記所定の温度まで加
熱させる光の強度との差分だけ小さい強度の位置である
ので、非晶質シリコン薄膜の過剰な温度上昇を防ぐこと
が可能となり、シリコンの気化を防止して光透過窓への
シリコンの付着を防止することができる。

【００９３】本発明のシリコン薄膜の形成装置は、密閉
容器と、光源と、光透過窓と、前記密閉容器の圧力が、
前記熱処理温度におけるシリコン蒸気圧よりも高くなる
ように前記密閉容器の圧力を制御する制御手段とを具備
しており、光照射によるシリコンの気化が抑制され、気
化したシリコンの光透過窓への付着が防止されて前記光
透過窓の透過率の低下が防止されるので、再現性の高い
シリコン薄膜を形成することができると共に、シリコン
薄膜の製造コストが低減され、また、前記光透過窓の交
換頻度が少なくなり、シリコン薄膜形成装置の維持コス
トを低減できる。

【００９４】また、本発明のシリコン薄膜の形成装置
は、密閉容器と、光源と、光透過窓と、前記光透過窓に
不活性ガスを吹き付けるために前記密閉容器内の前記光
透過窓の下側に設けられた不活性ガス給気管と、前記光
透過窓に吹き付けられた不活性ガスを、前記基板に向け
て流した後に前記密閉容器の外部に排気させるために、
前記基板の下側に設けられた排気管とを具備しており、
気化したシリコンが前記光透過窓付近で滞留することな
く速やかに排出されるので、気化したシリコンの光透過
窓への付着が防止されて前記光透過窓の透過率の低下を
防止できる。

【００９５】更に、本発明のシリコン薄膜の形成装置
は、密閉容器と、光源と、光透過窓と、前記光透過窓に
酸素ガスを吹き付けるために前記密閉容器内の前記光透
過窓の下側に設けられた酸素ガス給気管とを具備してお
り、前記光透過窓に光透過率の高い二酸化シリコンの皮
膜が形成されるので、前記光透過窓の透過率の低下を防
止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成装置を示す図である。

【図２】 レーザ光の照射強度と、レーザ光が照射され
たシリコン薄膜の最高到達温度との関係を示すグラフで
ある。

【図３】 温度とシリコンの蒸気圧との関係を示すグラ
フである。

【図４】 本発明の第２の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成装置を示す図である。

【図５】 本発明の第３の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成装置を示す図である。

【図６】 本発明の第４の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成方法を説明するための図である。

【図７】 本発明の第５の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成方法を説明するための図であって、（ａ）はｎ
回目のレーザ光をシリコン薄膜に照射するときのシリコ
ン薄膜の状態を示す図であり、（ｂ）はｎ回目のレーザ
光を照射した後のシリコン薄膜の状態を示す図であり、
（ｃ）はレーザ光の照射位置とレーザ強度との関係を示
す図であり、（ｄ）はレーザ光の照射位置とレーザ強度
との関係を示す図である。

【図８】 本発明の第６の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成装置を示す図である。

【図９】 本発明の第７の実施の形態であるシリコン薄
膜の形成装置を示す図である。

【図１０】 本発明のシリコン薄膜の形成方法及び形成
装置によって製造されるＴＦＴの製造工程を説明するた
めの図であって、（ａ）は二酸化シリコン膜を形成する
工程を示す正面断面図であり、（ｂ）は結晶質シリコン
薄膜を形成する工程を示す正面断面図であり、（ｃ）は
二酸化シリコン膜を形成する工程を示す正面断面図であ
り、（ｄ）は結晶質シリコン薄膜と二酸化シリコン膜を
アイランドパターン化する工程を示す正面断面図であ
り、（ｅ）はゲート電極を形成する工程を示す正面断面
図であり、（ｆ）はソースドレイン領域を形成する工程
を示す正面断面図であり、（ｇ）は層間絶縁膜及びＡｌ
配線を形成する工程を示す正面断面図であり、（ｈ）は
（ｄ）の側面断面図であり、（ｉ）は（ｅ）の側面断面
図であり、（ｊ）は（ｆ）の側面断面図である。

【図１１】 本発明のシリコン薄膜の形成方法及び形成
装置によって製造されるＴＦＴの製造工程を説明するた
めの図であって、（ａ）は二酸化シリコン膜を形成する
工程を示す正面断面図であり、（ｂ）は非晶質シリコン
薄膜と二酸化シリコン膜とを形成する工程を示す正面断
面図であり、（ｃ）は結晶質シリコン薄膜を形成する工
程を示す正面断面図であり、（ｄ）は結晶質シリコン薄
膜と二酸化シリコン膜をアイランドパターン化する工程
を示す正面断面図であり、（ｅ）はゲート電極を形成す
る工程を示す正面断面図であり、（ｆ）はソースドレイ
ン領域を形成する工程を示す正面断面図であり、（ｇ）
は層間絶縁膜及びＡｌ配線を形成する工程を示す正面断
面図であり、（ｈ）は（ｄ）の側面断面図であり、
（ｉ）は（ｅ）の側面断面図であり、（ｊ）は（ｆ）の
側面断面図である。

【図１２】 従来のシリコン薄膜の形成装置を示す図で
ある。

【図１３】 従来のシリコン薄膜の形成装置の要部を示
す図である。

【符号の説明】

１０１ 光源 １０３ 光 １０５ 密閉容器 １０６ 光透過窓 １１１ 基板 １１１ａ 非晶質シリコン薄膜 １２１ シリコン薄膜の形成装置

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された非晶質シリコン薄膜
   に光を照射して、前期非晶質シリコン薄膜を所定の熱処
   理温度まで加熱して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン
   薄膜の形成方法において、 前記光の照射が前記熱処理温度におけるシリコンの蒸気
   圧よりも高い圧力の雰囲気中で行なうことを特徴とする
   シリコン薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシリコン薄膜の形成方
   法において、 前記雰囲気は、純度９９．９９９９％以上の不活性ガス
   であることを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
3. 【請求項３】 基板上に形成された非晶質シリコン薄膜
   に光を照射して、前期非晶質シリコン薄膜を所定の熱処
   理温度まで加熱して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン
   薄膜の形成方法において、 前記非晶質シリコン薄膜上に該非晶質シリコンよりも高
   い蒸気圧を有する気化防止膜を形成した後に、大気に暴
   露させることなく、前記光を照射することを特徴とする
   シリコン薄膜の形成方法。
4. 【請求項４】 基板上に形成された非晶質シリコン薄膜
   に光を照射して、前期非晶質シリコン薄膜を所定の熱処
   理温度まで加熱して結晶質シリコン薄膜を得るシリコン
   薄膜の形成方法において、 前記非晶質シリコン薄膜上に該非晶質シリコン薄膜より
   も溶融潜熱が大きい保護皮膜を形成した後に、前記光を
   照射することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載のシリコ
   ン薄膜の形成方法において、 前記光の照射範囲が矩形であり、かつ、前記矩形の長さ
   方向に対する前記光の強度の分布がその最大強度が均一
   であるトップフラット部と、該トップフラット部の両端
   から強度が減少する傾斜部とからなり、 ｎ＋１回目に照射される光の照射位置を、該光の前記傾
   斜部の任意の位置が、ｎ回目に照射される光により形成
   された前記結晶質シリコン薄膜と非結晶質シリコン薄膜
   との境界よりも少なくとも結晶質シリコン薄膜側に位置
   するように照射し、 前記任意の位置は、前記トップフラット部の強度より
   も、結晶質シリコン薄膜を所定の温度まで加熱させる光
   の強度と非晶質シリコン薄膜を前記所定の温度まで加熱
   させる光の強度との差分だけ小さい強度の位置であるこ
   とを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
6. 【請求項６】 非晶質シリコン薄膜が表面に形成された
   基板を収納する密閉容器と、 前記非晶質シリコン薄膜に照射されて該非晶質シリコン
   薄膜を所定の熱処理温度まで加熱するための光を発振す
   る光源と、 前記密閉容器に設けられ、前記光源からの光を透過して
   前記密閉容器内に導入するための光透過窓と、 前記密閉容器の圧力が、前記熱処理温度におけるシリコ
   ン蒸気圧よりも高くなるように前記密閉容器の圧力を制
   御する制御手段とを具備することを特徴とするシリコン
   薄膜の形成装置。
7. 【請求項７】 非晶質シリコン薄膜が表面に形成された
   基板を収納する密閉容器と、 前記非晶質シリコン薄膜に照射されて該非晶質シリコン
   薄膜を所定の熱処理温度まで加熱するための光を発振す
   る光源と、 前記密閉容器に設けられ、前記光源からの光を透過して
   前記密閉容器内に導入するための光透過窓と、 前記光透過窓に不活性ガスを吹き付けるために前記密閉
   容器内の前記光透過窓の下側に設けられた不活性ガス給
   気管と、 前記光透過窓に吹き付けられた不活性ガスを、前記基板
   に向けて流した後に前記密閉容器の外部に排気させるた
   めに、前記基板の下側に設けられた排気管とを具備する
   ことを特徴とするシリコン薄膜の形成装置。
8. 【請求項８】 非晶質シリコン薄膜が表面に形成された
   基板を収納する密閉容器と、 前記非晶質シリコン薄膜に照射されて該非晶質シリコン
   薄膜を所定の熱処理温度まで加熱するための光を発振す
   る光源と、 前記密閉容器に設けられ、前記光源からの光を透過して
   前記密閉容器内に導入するための光透過窓と、 前記光透過窓に酸素ガスを吹き付けるために前記密閉容
   器内の前記光透過窓の下側に設けられた酸素ガス給気管
   とを具備することを特徴とするシリコン薄膜の形成装
   置。