JPH11251243A - アモルファス半導体膜の多結晶化方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性を低下させることなく、かつ均質な多
結晶膜を得ることができるアモルファス半導体膜の多結
晶化方法を提供する。 【解決手段】 アモルファス半導体膜に、細長いビーム
断面を有するレーザビームの照射を断続的に行う。１照
射ごとに、照射領域を、その長尺方向と交差する方向に
移動させ半導体膜を多結晶化する。照射領域の移動方向
に関する１照射当たりのエネルギ密度分布において、そ
の中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融する第１の
エネルギ密度領域があり、その外側に、アモルファス半
導体膜は溶融するが、結晶粒は再溶融しない第２のエネ
ルギ密度領域があり、その外側に、アモルファス半導体
膜が溶融するが多結晶化はしない第３のエネルギ密度領
域がある。第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射さ
れた領域に、当該照射以降の照射において、第１のエネ
ルギ密度領域のレーザ光が照射されるように、照射領域
を移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを用いたア
モルファス半導体膜の多結晶化方法及びレーザアニール
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上にアモルファスシリコン膜
を堆積し、エキシマレーザ光の照射を断続的に繰り返
し、アモルファスシリコン膜を多結晶化する技術が注目
されている。多結晶シリコン膜が形成されたガラス基板
は、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に用い
られる。

【０００３】アモルファスシリコンを多結晶化するのに
十分なエネルギを得るために、レーザ光をアモルファス
シリコン膜上に集光する。レーザ光を照射しながらガラ
ス基板を移動させ、アモルファスシリコン膜の広い領域
にレーザ光を照射することにより、大面積の多結晶シリ
コン膜を形成することができる。

【０００４】ガラス基板の１回の並進移動で、広い領域
にレーザ光を照射するために、通常、レーザ光のビーム
断面を１方向に長い形状とする。ガラス基板を、ビーム
断面の長尺方向に直交する方向に移動させることによ
り、広い領域にレーザ光を照射することができる。

【０００５】ガラス基板の移動速度は、エキシマレーザ
光のある１照射により照射される領域と、次の１照射に
より照射される領域とが、一部分において重なる程度と
する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】エキシマレーザ光のあ
る１照射により照射される領域と、次の１照射により照
射される領域との重なり量を少なくすると、均質な多結
晶膜を得ることができなくなる。また、重なり量を大き
くすると、生産性が低下する。生産性を低下させること
なく、かつ均質な多結晶膜を得るために、最適な重なり
量があると思われるが、その最適値を決定する方法は見
い出されていない。

【０００７】本発明の目的は、生産性を低下させること
なく、かつ均質な多結晶膜を得ることができるアモルフ
ァス半導体膜の多結晶化方法及びレーザアニール装置を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、表面上にアモルファス半導体膜が形成された基板の
該アモルファス半導体膜に、その面内の第１の方向に長
いビーム断面を有するレーザビームの照射を断続的に繰
り返し行いつつ、１照射ごとに該レーザビームの照射領
域を、前記基板面内において、前記第１の方向と交差す
る第２の方向に移動させ、該レーザビームによって照射
された領域の前記アモルファス半導体膜を多結晶化する
方法であって、前記レーザビームの照射領域の前記第２
の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布におい
て、その中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融する
エネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、
その外側に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結
晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネ
ルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域があり、その
外側に、前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶
化はしないエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領
域があり、前記レーザビームのある１照射において、そ
の照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領
域のレーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいず
れかの照射において、前記第１のエネルギ密度領域のレ
ーザ光が照射されるように、前記アモルファス半導体膜
の面内において、前記レーザビームの照射領域を移動さ
せるアモルファス半導体膜の多結晶化方法が提供され
る。

【０００９】本発明の他の観点によると、表面上にアモ
ルファス半導体膜が形成された処理基板を保持する保持
台と、前記保持台に保持された処理基板のアモルファス
半導体膜の表面上の第１の方向に長い領域を照射するよ
うな細長いビーム断面を有し、該アモルファス半導体膜
の表面上への照射が断続的に繰り返され、１照射当た
り、前記アモルファス半導体膜を多結晶化するのに十分
なエネルギ密度を有するレーザビームであって、該レー
ザビームの照射領域の、前記第１の方向に交差する第２
の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布におい
て、その中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融する
エネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、
その外側に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結
晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネ
ルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域があり、その
外側に、前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶
化はしないエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領
域がある前記レーザビームを発生するレーザ光学系と、
前記レーザビームの１照射により照射される領域が、１
照射ごとに、前記アモルファス半導体膜の表面上におい
て前記第２の方向に移動するように、前記レーザビーム
と前記保持台とのいずれか一方を他方に対して相対的に
移動させる移動機構と、前記レーザビームの、前記アモ
ルファス半導体膜の表面上における前記第２の方向に関
する１照射当たりのエネルギ密度分布を測定するための
エネルギ密度分布測定手段と、前記エネルギ密度分布測
定手段によって測定されたエネルギ密度分布に基づい
て、前記レーザビームのある１照射において、その照射
領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域のレ
ーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの
照射において、前記第１のエネルギ密度領域のレーザ光
が照射されるように、前記移動機構を駆動する制御手段
とを有するレーザアニール装置が提供される。

【００１０】第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射
された領域には、アモルファス半導体領域中に微細な結
晶粒を含む膜が形成されると考えられる。後の照射で、
この部分に第１のエネルギ密度領域のレーザ光を照射す
ることにより、微結晶粒を再溶融させ、良質な多結晶膜
を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明のアモル
ファス半導体膜の多結晶化方法について説明する。

【００１２】図１（Ａ）は、アモルファス半導体膜が形
成された基板１の平面図を示す。基板１の表面をｘｙ平
面とするｘｙ直交座標系を考える。基板１の表面の法線
方向から、アモルファス半導体膜の表面上に、ｙ軸方向
に長い線状のビーム断面を有するレーザビームを照射す
る。例えばパルス発振しているＸｅＣｌエキシマレーザ
の照射を断続的に繰り返す。レーザビームの１照射によ
り、基板１の表面のｙ軸方向に長い領域２が照射され
る。

【００１３】この照射領域２をｘ軸の例えば正の方向に
移動させることにより、アモルファス半導体膜の広い領
域にレーザビームを照射する。基板１をｘ軸の負の方向
に移動させてもよいし、レーザビームをｘ軸の正の方向
に移動させてもよい。レーザビームの照射によりアモル
ファス半導体膜を一時的に溶融させ、多結晶化すること
ができる。

【００１４】図１（Ｂ）は、レーザビームの照射領域２
におけるｘ軸方向の１照射あたりのエネルギ密度分布の
一例を示す。横軸はｘ座標を表し、縦軸はエネルギ密度
を表す。照射領域の中央部に、アモルファス半導体膜中
に一旦形成された結晶粒が再溶融する最低エネルギ密度
Ｐｒ以上のエネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領
域Ａｄが画定されている。その外側に、アモルファス半
導体膜は溶融して多結晶化するが、一旦形成された結晶
粒は再溶融しない最低のエネルギ密度Ｐｐ以上、かつエ
ネルギ密度Ｐｒ以下のエネルギ密度を有する第２のエネ
ルギ密度領域Ａｍが画定されている。その外側に、アモ
ルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしない最低の
エネルギ密度Ｐａ以上、かつエネルギ密度Ｐｐ以下のエ
ネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域Ａｉが画定
されている。

【００１５】例えば、厚さ１．１ｍｍのＳｉＯ₂ ガラス
基板日本板ガラス社製の表面上に化学気相堆積（ＣＶ
Ｄ）により厚さ１００ｎｍのＳｉＯ₂ 膜を堆積し、その
上に厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を堆積した
基板を用いて多結晶化を行う場合、エネルギ密度Ｐｒ、
Ｐｐ、及びＰａは、それぞれ約３００ｍＪ／ｃｍ² 、約
２００ｍＪ／ｃｍ² 、及び約１５０ｍＪ／ｃｍ² であっ
た。

【００１６】レーザビームの１照射により、第３のエネ
ルギ密度領域Ａｉにおいては、アモルファス半導体膜が
溶融するが、良好な多結晶膜は得られない。この領域で
は、アモルファス半導体の領域内に微細な結晶粒が含ま
れた膜が形成されていると思われる。

【００１７】微細な結晶粒を含む領域に、次のレーザビ
ームの照射により、エネルギ密度Ｐｒ以上のレーザビー
ムが照射されると、微細な結晶粒も溶融し、ほぼ均質な
多結晶膜が得られると考えられる。しかし、この領域に
第２のエネルギ密度領域Ａｍのレーザ光が照射される場
合には、アモルファス部分は溶融して多結晶化するが、
一旦形成された微細な結晶粒は再溶融しない。このた
め、この領域に形成される多結晶膜の品質が、他の領域
の多結晶膜の品質と異なることになる。

【００１８】均質な多結晶膜を形成するためには、微細
な結晶粒が形成された領域に、エネルギ密度Ｐｒ以上の
レーザ光を照射する必要がある。すなわち、レーザビー
ムのある１照射において第３のエネルギ密度領域Ａｉの
レーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれか
の照射において、第１のエネルギ密度領域Ａｄのレーザ
光が照射されるように、アモルファス半導体膜の面内に
おいて、レーザビームの照射領域２を移動させる必要が
ある。

【００１９】次に、レーザビームの１照射ごとの照射領
域２の好ましい移動距離について、より具体的に考察す
る。照射領域２のｘ軸方向に関するエネルギ密度分布
の、照射領域２の移動方向に関する前方斜面（ｘ軸の正
の方向を向く斜面）における第３のエネルギ密度領域Ａ
ｉの幅をＩ、第２のエネルギ密度領域Ａｍの幅をＭとす
る。また、エネルギ密度分布の中央部の第１のエネルギ
領域Ａｄの全幅をＤとする。

【００２０】図１（Ｃ）は、Ｄ≧Ｉの場合のエネルギ密
度分布の一例を示す。図中の実線Ｅ ₁ で示す１照射によ
り、エネルギ密度Ｐｐ以上の領域において、多結晶膜が
形成される。エネルギ密度Ｐａ〜Ｐｐの領域Ａｉ₁ にお
いては、アモルファス半導体膜中に微結晶粒が形成され
る。

【００２１】図１（Ｃ）中の実線Ｅ₂ は、実線Ｅ₁ の照
射の次の１照射によるレーザビームのエネルギ密度分布
を示す。図１（Ｃ）では、照射領域をｘ軸の正の方向に
Ｄ＋Ｍだけ移動させた場合を示している。この場合、最
初の照射で微結晶粒が形成された領域Ａｉ₁ に、次の照
射によりエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光が照射され
る。このため、微結晶粒が再溶融し、良質な多結晶膜が
得られる。

【００２２】照射領域の移動距離をＤ＋Ｍよりも大きく
すると、次の照射により領域Ａｉ₁にエネルギ密度Ｐｒ
よりも低いレーザ光しか照射されない。このため、一旦
形成された微結晶粒が再溶融せず、良質な多結晶膜を得
ることができなくなる。従って、レーザビームの１照射
ごとの照射領域のｘ軸方向への移動距離をＬとすると
き、Ｌ≦Ｍ＋Ｄとなるようにする必要がある。

【００２３】図１（Ｄ）は、Ｄ＜Ｉの場合のエネルギ密
度分布を示す。図中の実線Ｆ₁ で示す１照射により、エ
ネルギ密度Ｐｐ以上の領域において、多結晶膜が形成さ
れる。エネルギ密度Ｐａ〜Ｐｐの領域Ａｉ₁ において
は、アモルファス半導体膜中に微結晶粒が形成される。

【００２４】図１（Ｄ）中の実線Ｆ₂ は、実線Ｆ₁ の照
射の次の１照射によるレーザビームのエネルギ密度分布
を示す。図１（Ｄ）では、照射領域をｘ軸の正の方向に
Ｄ＋Ｍだけ移動させた場合を示している。幅Ｄが幅Ｉよ
り狭いため、最初の照射により微結晶粒が形成された領
域Ａｉ₁ のうち、次の照射によりエネルギ密度Ｐｒ以上
のレーザ光が照射されるのは、一部分のみである。この
ため、領域Ａｉ₁ の一部に微結晶粒が残ってしまい、均
質な多結晶膜を得ることができない。

【００２５】微結晶粒が形成された領域Ａｉ₁ の全領域
にエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光を照射するために
は、Ｌ≦Ｄとすればよい。すなわち、多結晶化すべき領
域に隈なくエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光を照射する
ことになる。

【００２６】図１（Ｃ）及び１（Ｄ）では、レーザビー
ムの１照射ごとの照射領域の移動距離Ｌの上限を規定し
た。移動距離Ｌがこれらの上限値よりも短い場合、均質
な多結晶膜を得ることはできるが、短くしすぎると生産
性の低下をもたらす。比較的高い生産性を保ちつつ、均
質な多結晶膜を得るためには、エネルギ密度分布の半値
幅をＦＷＨＭとしたとき、Ｌ≧０．８×ＦＷＨＭとなる
ように移動距離Ｌを設定することが好ましく、Ｌ≧０．
５×ＦＷＨＭとなるように設定することがより好まし
い。

【００２７】図１では、レーザビームの照射領域をその
長尺方向に直交する方向に移動させる場合について説明
したが、長尺方向と移動方向とを必ずしも直交させる必
要はない。両者が相互に交差する関係としてもよい。こ
の場合には、図１（Ｃ）及び１（Ｄ）で考察したｘ軸方
向に関するエネルギ密度分布の代わりに、照射領域の移
動方向に関するエネルギ密度分布を用いて移動距離Ｌの
範囲を定めればよい。

【００２８】次に、図１で説明したアモルファス半導体
膜の多結晶化方法を実施するためのレーザアニーリング
装置について説明する。

【００２９】図２は、レーザアニーリング装置の概略図
を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ１
０、搬送チャンバ５２、搬出入チャンバ５３、５４、エ
キシマレーザ装置４１、ホモジナイザ４２、ＣＣＤカメ
ラ５８、ビデオモニタ５９、及び制御手段６５を含んで
構成される。処理チャンバ１０には、ベローズ３７、結
合部材３３、３５、リニアガイド機構３４及びリニアモ
ータ３６等を含む直動機構３０が取り付けられている。
ホモジナイザ４２及び直動機構３０の詳細な構成につい
ては、それぞれ図３及び図４を参照して後述する。

【００３０】処理チャンバ１０と搬送チャンバ５２がゲ
ートバルブ５５を介して結合され、搬送チャンバ５２と
搬出入チャンバ５３、及び搬送チャンバ５２と搬出入チ
ャンバ５４が、それぞれゲートバルブ５６及び５７を介
して結合されている。処理チャンバ１０、搬出入チャン
バ５３及び５４には、それぞれ真空ポンプ６１、６２及
び６３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気す
ることができる。

【００３１】搬送チャンバ５２内には、搬送用ロボット
６４が収容されている。搬送用ロボット６４は、処理チ
ャンバ１０、搬出入チャンバ５３及び５４の各チャンバ
相互間で処理基板を移送する。

【００３２】処理チャンバ１０の上面に、レーザ光透過
用の石英窓８が設けられている。パルス発振したエキシ
マレーザ装置４１から出力されたレーザビームがアッテ
ネータ４６を通ってホモジナイザ４２に入射する。ホモ
ジナイザ４２は、レーザビームの断面形状を細長い形状
にする。ホモジナイザ４２を通過したレーザビームは、
レーザ光の断面形状に対応した細長い石英窓８を透過
し、処理チャンバ１０内に配置された処理基板を照射す
る。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホ
モジナイザ４２と処理基板との相対位置が調節されてい
る。

【００３３】処理チャンバ１０内の処理基板は、直動機
構３０により石英窓８の長尺方向に直交する向きに並進
移動する。図１で説明した条件を満足するような速さで
処理基板を移動させることにより、基板の表面上に形成
されたアモルファス半導体膜をほぼ均質に多結晶化する
ことができる。基板表面はＣＣＤカメラ５８により撮影
され、処理中の基板表面をビデオモニタ５９で観察する
ことができる。

【００３４】エキシマレーザ装置４１、ホモジナイザ４
２、搬送用ロボット６４、ゲートバルブ５５〜５７、及
び直動機構３０は、制御装置６５によって制御される。

【００３５】次に、図３を参照して、図２に示すホモジ
ナイザ４２の構成及び作用について説明する。ホモジナ
イザ４２に入射する光線束の光軸に平行なｚ軸を有する
ｘｙｚ直交座標系を考える。図３（Ａ）は、ｙｚ面に平
行な断面図、図３（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示
す。

【００３６】図３（Ａ）に示すように、等価な７本のシ
リンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行に
し、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に
沿ったシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂが構成されてい
る。シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂの各シリンドリカ
ルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸
面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称
面のことを意味する。シリンダアレイ１５Ａは光の入射
側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１５Ｂは出
射側（図の右方）に配置されている。

【００３７】図３（Ｂ）に示すように、等価な７本のシ
リンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行に
し、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に
沿ったシリンダアレイ１６Ａと１６Ｂが構成されてい
る。シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂの各シリンドリカ
ルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレ
イ１６Ａはシリンダアレイ１５Ａの前方（図の左方）に
配置され、シリンダアレイ１６Ｂはシリンダアレイ１５
Ａと１５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ１
５Ａと１５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面
は一致し、シリンダアレイ１６Ａと１６Ｂの対応するシ
リンドリカルレンズの光軸面も一致する。

【００３８】シリンダアレイ１５Ｂの後方に、収束レン
ズ１９が配置されている。収束レンズ１９の光軸は、ｚ
軸に平行である。

【００３９】図３（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する
光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、
シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂは単なる平板であるた
め、光線束の収束、発散に影響を与えない。シリンダア
レイ１６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光
線束１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線
束１７は、例えば曲線２１ｙで示すように、中央部分で
強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

【００４０】平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａを
透過し、シリンダアレイ１５Ａに入射する。入射光線束
は、シリンダアレイ１５Ａにより各シリンドリカルレン
ズに対応した７つの収束光線束に分割される。図３
（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示して
いる。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｙａ〜２
１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ１５
Ａによって収束された光線束は、シリンダアレイ１５Ｂ
により再度収束される。

【００４１】シリンダアレイ１５Ｂにより収束した７つ
の収束光線束１８は、それぞれ収束レンズ１９の前方で
結像する。この結像位置は、収束レンズ１９の入射側焦
点よりもレンズに近い。このため、収束レンズ１９を透
過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモ
ジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０
を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、そ
れぞれ光強度分布２１ｙａ〜２１ｙｇをｙ軸方向に引き
伸ばした分布に等しい。光強度分布２１ｙａと２１ｙ
ｇ、２１ｙｂと２１ｙｆ、２１ｙｃと２１ｙｅは、それ
ぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、こ
れらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線２２ｙ
で示すように均一な分布に近づく。

【００４２】図３（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する
光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、
シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂは単なる平板であるた
め、光線束の収束、発散に影響を与えない。平行光線束
１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１
７は、例えば曲線２１ｘで示すように、中央部分で強く
周辺部分で弱い光強度分布を有する。

【００４３】平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａに
より各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線
束に分割される。図１（Ｂ）では、中央と両端の光線束
のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それ
ぞれ曲線２１ｘａ〜２１ｘｇで示す光強度分布を有す
る。

【００４４】各光線束は、シリンダアレイ１６Ｂの前方
で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ１６Ｂに
入射する。シリンダアレイ１６Ｂに入射した各光線束
は、それぞれある出射角を持って出射し、収束レンズ１
９に入射する。

【００４５】収束レンズ１９を透過した７つの光線束は
それぞれ収束光線束となり、ホモジナイズ面２０上にお
いて重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線
束のｘ軸方向の光強度分布は、図１（Ａ）の場合と同様
に実線２２ｘで示すように均一な分布に近づく。

【００４６】ホモジナイズ面２０上の光照射領域は、ｙ
軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホ
モジナイズ面２０の位置に、図１に示す処理基板１の表
面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い
線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。

【００４７】次に、図４を参照して、図２に示す直動機
構３０の構成及び作用について説明する。

【００４８】図４（Ａ）は、処理チャンバ１０及び直動
機構３０の概略平断面図を示し、図４（Ｂ）は、図４
（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における概略断面図を示
す。なお、図４（Ａ）は、図４（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−
Ａ１における断面に相当する。

【００４９】内部を真空排気可能な処理チャンバ１０の
内部空洞内に、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂが相互に平
行に配置されている。駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの各
々の両端は、処理チャンバ１０の側壁を貫通して外部ま
で導出されている。

【００５０】駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの対応する一
方の端部は、結合部材３３により相互に結合されてい
る。結合部材３３は、リニアガイド機構３４により駆動
用支軸３２Ａ及び３２Ｂの軸方向に移動可能に支持され
ている。

【００５１】駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの他方の端部
は、結合部材３５により相互に結合されている。結合部
材３５は、リニアモータ３６により駆動用支軸３２Ａ及
び３２Ｂの軸方向に駆動される。リニアモータ３６を駆
動することにより、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂを、そ
の軸方向に並進移動させることができる。

【００５２】駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの各々の処理
チャンバ１０の外に導出された部分には、真空ベローズ
３７が被せられている。真空ベローズ３７の一端は処理
チャンバ１０の側壁に取り付けられ、他端は結合部材３
３または３５に取り付けられている。真空ベローズ３７
により、処理チャンバ１０の気密性が保たれている。

【００５３】処理チャンバ１０内に保持台１４が配置さ
れている。保持台１４は、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂ
に固定されている。保持台１４の上面に複数本のピン３
８が突出しており、アニール処理される基板１がピン３
８の上に載置される。保持台１４の内部にヒータ３９が
埋め込まれており、保持台１４を加熱することができ
る。保持台１４からの熱輻射等により基板１が加熱され
る。処理チャンバ１０の上面に石英窓８が設けられてお
り、石英窓８を通して処理チャンバ１０内にレーザ光が
導入される。

【００５４】リニアモータ３６は、図２に示す制御装置
６５により駆動され、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂを介
して基板１を所望の速さで並進移動させることができ
る。

【００５５】次に、図５を参照して、図２に示すレーザ
アニーリング装置の光学系及び制御系について説明す
る。

【００５６】図５は、図２のレーザアニーリング装置の
光学系及び制御系の概略図を示す。エキシマレーザ装置
４１から出力したレーザビームは、アッテネータ４６を
通過し、ターンミラー４７及び４８で反射し、ホモジナ
イザ４２に入射する。ホモジナイザ４２を通過したレー
ザビームは、ターンミラー４９で反射し、石英窓８を透
過して処理チャンバ１０内に導入される。

【００５７】ホモジナイザ４２とターンミラー４９は、
相互の相対位置関係を保った状態で、入射レーザ光の光
軸に沿って平行移動することができる。ターンミラー４
９で反射した後のレーザビームが図中の位置ｃにあると
き、処理チャンバ１０内の処理基板上にレーザ光が照射
される。

【００５８】処理チャンバ１０内には、処理基板の表面
に形成されたアモルファスシリコン膜の膜厚を測定する
ための膜厚測定手段７１、及び照射領域の短軸方向（図
１（Ａ）のｘ軸方向）のエネルギ密度分布を測定するた
めのエネルギ密度分布測定手段７２が配置されている。

【００５９】膜厚測定手段７１は、処理チャンバ１０内
に搬入された処理基板の表面上に形成されたアモルファ
スシリコン膜の膜厚を測定し、その結果を制御手段６５
に送信する。

【００６０】エネルギ密度分布測定手段７２は、例えば
光センサを照射領域の短軸方向に直線状に配列して構成
される。レーザビームを位置ｄに移動させたとき、レー
ザ光がエネルギ密度分布測定手段７２に照射され、レー
ザ光の照射領域の短軸方向のエネルギ密度分布を測定す
ることができる。処理チャンバ１０の外にも、光センサ
を直線状に配列したエネルギ密度分布測定手段７４が配
置されている。レーザビームを位置ａに移動させてエネ
ルギ密度分布測定手段７４にレーザ光を照射することに
より、ビーム断面の長軸方向に関するエネルギ密度分布
を測定することができる。エネルギ密度分布測定手段７
２及び７４による測定結果は、制御手段６５に送信され
る。

【００６１】また、処理チャンバ１０の外にはパワーメ
ータ７３が配置されており、レーザビームを位置ｂに移
動させることにより、処理チャンバ１０内に導入される
前のレーザ光の強度を測定することができる。パワーメ
ータ７３で検出されたレーザ光の強度を、その位置にお
ける正常値と比較することにより、光学部品の劣化状態
を知ることができる。

【００６２】次に、制御手段６５の作用について説明す
る。制御手段６５は、膜厚測定手段７１から与えられた
アモルファスシリコン膜の膜厚に基づいて、図１（Ｂ）
に示す第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、Ｐａを決
定する。例えば、予めアモルファスシリコン膜の膜厚と
これらのエネルギ密度との関係を実験により求め、この
関係を制御手段６５に記憶させておくことにより、膜厚
から第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、Ｐａを決定
することができる。

【００６３】次に、エネルギ密度分布測定手段７２によ
り測定されたエネルギ密度分布と、第１〜第３のエネル
ギ密度に基づいて、レーザビーム１照射ごとの照射領域
の移動距離を決定し、この移動距離に基づいて直動機構
３０を駆動する。例えば、測定されたエネルギ密度分布
と、第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、Ｐａとに基
づいて、図１（Ｂ）に示す幅Ｄ、Ｍ、及びＩを求める。
これらの値から、図１（Ｃ）及び１（Ｄ）で説明した１
照射ごとの照射領域の移動距離Ｌの範囲に収まるよう
に、直動機構３０を駆動する。このように、移動距離Ｌ
を制御することにより、良質な多結晶シリコン膜を得る
ことが可能になる。

【００６４】なお、図５では、アモルファスシリコン膜
の膜厚を測定して、その測定結果を制御手段６５に送信
する場合を説明したが、処理すべき基板のアモルファス
シリコン膜の膜厚を、制御手段６５に予め記憶させてお
いてもよい。また、図５では、アモルファスシリコン膜
の膜厚から第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、及び
Ｐａを求める場合を説明したが、これらのエネルギ密度
を予め求めておき、制御手段６５に記憶させておいても
よい。

【００６５】上記実施例では、アモルファスシリコン膜
を多結晶化する場合を例に説明したが、その他のアモル
ファス半導体膜を多結晶する場合にも、上記実施例が応
用可能である。例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等を多結晶化す
る場合にも適用できるであろう。

【００６６】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アモルファス半導体膜にレーザビームを断続的に照射
し、１照射ごとの照射領域の移動距離を調整することに
より、均一性の高い多結晶半導体膜を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるアモルファス半導体膜の
多結晶化方法を説明するための、基板平面図、及びレー
ザビームのエネルギ密度分布を示すグラフである。

【図２】レーザアニーリング装置の概略図である。

【図３】図２のレーザアニーリング装置に使用されてい
るホモジナイザの断面図である。

【図４】図２のレーザアニーリング装置に使用されてい
る直動機構の断面図である。

【図５】図２のレーザアニーリング装置に使用されてい
る光学系及び制御手段の概略図である。

【符号の説明】

１ 処理基板 ２ 照射領域 ８ 石英窓 １０ 処理チャンバ １４ 保持台 １５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ シリンダアレイ １７、１８ 光線束 １９ 収束レンズ ２０ ホモジナイズ面 ２１、２２ 光強度分布 ３０ 直動機構 ３２Ａ、３２Ｂ 駆動用支軸 ３３、３５ 結合部材 ３４ リニアガイド機構 ３６ リニアモータ ３７ 真空ベローズ ３８ ピン ３９ ヒータ ４１ エキシマレーザ装置 ４２ ホモジナイザ ４６ アッテネータ ４７、４８、４９ ターンミラー ５２ 搬送チャンバ ５３、５４ 搬出入チャンバ ５５〜５７ ゲートバルブ ５８ ＣＣＤカメラ ５９ ビデオモニタ ６１、６２、６３ 真空ポンプ ６４ 搬送ロボット ６５ 制御手段 ７１ 膜厚測定手段 ７２、７４ エネルギ密度分布測定手段 ７３ パワーメータ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面上にアモルファス半導体膜が形成さ
   れた基板の該アモルファス半導体膜に、その面内の第１
   の方向に長いビーム断面を有するレーザビームの照射を
   断続的に繰り返し行いつつ、１照射ごとに該レーザビー
   ムの照射領域を、前記基板面内において、前記第１の方
   向と交差する第２の方向に移動させ、該レーザビームに
   よって照射された領域の前記アモルファス半導体膜を多
   結晶化する方法であって、 前記レーザビームの照射領域の前記第２の方向に関する
   １照射当たりのエネルギ密度分布において、その中央部
   に、一旦形成された結晶粒が再溶融するエネルギ密度を
   有する第１のエネルギ密度領域があり、その外側に、前
   記アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化するが、一
   旦形成された結晶粒は再溶融しないエネルギ密度を有す
   る第２のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記ア
   モルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしないエネ
   ルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域があり、 前記レーザビームのある１照射において、その照射領域
   の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域のレーザ
   光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの照射
   において、前記第１のエネルギ密度領域のレーザ光が照
   射されるように、前記アモルファス半導体膜の面内にお
   いて、前記レーザビームの照射領域を移動させるアモル
   ファス半導体膜の多結晶化方法。
2. 【請求項２】 前記エネルギ密度分布の、前記レーザビ
   ームの照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密
   度領域の幅をＩ、前記第２のエネルギ密度領域の幅をＭ
   とし、前記エネルギ密度分布の中央の前記第１のエネル
   ギ密度領域の全幅をＤとし、前記レーザビームの照射領
   域が１照射ごとに前記第２の方向へ移動する距離をＬと
   するとき、 前記エネルギ密度分布の形状がＤ≧Ｉである場合には、
   Ｌ≦Ｍ＋Ｄとし、Ｄ＜Ｉである場合には、Ｌ≦Ｄとする
   請求項１に記載のアモルファス半導体膜の多結晶化方
   法。
3. 【請求項３】 前記エネルギ密度分布の半値幅をＦＷＨ
   Ｍとしたとき、Ｌ≧０．８×ＦＷＨＭとする請求項２に
   記載のアモルファス半導体膜の多結晶化方法。
4. 【請求項４】 表面上にアモルファス半導体膜が形成さ
   れた処理基板を保持する保持台と、 前記保持台に保持された処理基板のアモルファス半導体
   膜の表面上の第１の方向に長い領域を照射するような細
   長いビーム断面を有し、該アモルファス半導体膜の表面
   上への照射が断続的に繰り返され、１照射当たり、前記
   アモルファス半導体膜を多結晶化するのに十分なエネル
   ギ密度を有するレーザビームであって、該レーザビーム
   の照射領域の、前記第１の方向に交差する第２の方向に
   関する１照射当たりのエネルギ密度分布において、その
   中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融するエネルギ
   密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、その外側
   に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化する
   が、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネルギ密度
   を有する第２のエネルギ密度領域があり、その外側に、
   前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしな
   いエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域がある
   前記レーザビームを発生するレーザ光学系と、 前記レーザビームの１照射により照射される領域が、１
   照射ごとに、前記アモルファス半導体膜の表面上におい
   て前記第２の方向に移動するように、前記レーザビーム
   と前記保持台とのいずれか一方を他方に対して相対的に
   移動させる移動機構と、 前記レーザビームの、前記アモルファス半導体膜の表面
   上における前記第２の方向に関する１照射当たりのエネ
   ルギ密度分布を測定するためのエネルギ密度分布測定手
   段と、 前記エネルギ密度分布測定手段によって測定されたエネ
   ルギ密度分布に基づいて、前記レーザビームのある１照
   射において、その照射領域の進行方向前方の前記第３の
   エネルギ密度領域のレーザ光が照射された領域に、当該
   照射以降のいずれかの照射において、前記第１のエネル
   ギ密度領域のレーザ光が照射されるように、前記移動機
   構を駆動する制御手段とを有するレーザアニール装置。
5. 【請求項５】 前記制御手段が、前記第１〜第３のエネ
   ルギ密度領域の各々の最低エネルギ密度を記憶する記憶
   手段を有し、前記記憶手段に記憶されている前記３つの
   最低エネルギ密度と、前記エネルギ密度分布測定手段に
   より測定されたエネルギ密度分布とに基づいて、前記レ
   ーザビームの照射領域の１照射ごとの移動距離を決定
   し、該移動距離に基づいて前記移動機構を駆動する請求
   項４に記載のレーザアニール装置。
6. 【請求項６】 前記エネルギ密度分布測定手段によって
   測定されたエネルギ密度分布の、前記レーザビームの照
   射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域の
   幅をＩ、前記第２のエネルギ密度領域の幅をＭとし、前
   記エネルギ密度分布の中央の前記第１のエネルギ密度領
   域の全幅をＤとし、前記レーザビームの照射領域が１照
   射ごとに前記第２の方向へ移動する距離をＬとすると
   き、 前記制御手段が、前記エネルギ密度分布の形状がＤ≧Ｉ
   である場合にはＬ≦Ｍ＋Ｄとなり、Ｄ＜Ｉである場合に
   はＬ≦Ｄとなるように、前記移動機構を駆動する請求項
   ４に記載のレーザアニール装置。
7. 【請求項７】 前記制御手段が、前記エネルギ密度分布
   測定手段によって測定されたエネルギ密度分布の半値幅
   をＦＷＨＭとしたとき、Ｌ≦０．８×ＦＷＨＭとなるよ
   うに前記移動機構を駆動する請求項６に記載のレーザア
   ニール装置。
8. 【請求項８】 前記制御手段が、前記アモルファス半導
   体膜の膜厚を記憶するための膜厚記憶手段を有し、前記
   膜厚記憶手段に記憶されている膜厚に基づいて、前記第
   １〜第３のエネルギ密度領域の各々の最低エネルギ密度
   を決定し、該３つの最低エネルギ密度に基づいて、前記
   レーザビームの１照射ごとの移動距離を決定し、該移動
   距離に基づいて前記移動機構を駆動する請求項４に記載
   のレーザアニール装置。
9. 【請求項９】 さらに、前記保持台に保持された処理基
   板の表面上に形成されているアモルファス半導体膜の膜
   厚を測定するための膜厚測定手段を有し、 前記制御手段が、前記膜厚測定手段によって測定された
   膜厚に基づいて、前記レーザビームの１照射ごとの移動
   距離を決定し、該移動距離に基づいて前記移動機構を駆
   動する請求項４に記載のレーザアニール装置。
10. 【請求項１０】 前記制御手段が、前記膜厚測定手段に
    よって測定された膜厚に基づいて、前記第１〜第３のエ
    ネルギ密度領域の各々の最低エネルギ密度を決定し、該
    ３つの最低エネルギ密度に基づいて、前記レーザビーム
    の１照射ごとの移動距離を決定し、該移動距離に基づい
    て前記移動機構を駆動する請求項９に記載のレーザアニ
    ール装置。