JPS59175120A - ビ−ム形状成形器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザビームを用いて試料基板を加熱するレー
ザアニーリング法に係り、とくに単結晶薄膜形成用に適
したレーザビームの形状を簡便に得ることができるよう
にしたビーム形状成形器に関する。

近年、半導体集積回路の高密度化が進むに伴い、半導体
集積回路の各素子寸法の微細化をはかって横方向の集積
度を向上させる他に、いったん形成された素子構造の上
に絶縁膜を全面にわたって形成し、さらにこの絶縁膜上
に半導体薄膜を設けてこの半導体薄膜を用いて素子を形
成するというようないわゆる三次元構造が盛んに研究開
発されている。とくに絶縁膜上に形成した多結晶シリコ
ン膜をレーザビームによシ照射し、再結晶化させる方法
が注目されている。又、半導体集積回路の高速化が進む
に伴い、半導体集積回路の各素子あるいは配線部分と基
板シリコンとの間の電気容量を小さくすることが重要な
課題となっている。これまでによく用いられているｐｎ
接合分離と比較すると、絶縁膜上に形成したシリコン薄
膜を用いれば寄生容量を小さくできるので、この意味で
もレーザビームによる再結晶化技術すなわちレーザアニ
ーリング技術が注目されている。しかし、現在の段階で
は半導体集積回路を形成する目的に対して、十分良好な
結晶性を得るに至っていない。

以上説明した絶縁膜上のシリコン膜の結晶性が十分良好
で彦い原因の一つはレーザビームの形状１１が丸形であ
るためであって、レーザビームを第１図のごとく多結晶
シリコン膜に照射しつつ走査方向１２の方向に走査する
と、多結晶シリコン膜はいったん溶融し、再結晶化する
が、このとき再結晶化の進行する方向１７はレーザビー
ムの形状によシ定まるメルト部１３の形状から決定され
、周辺より中央に果まってくる。その結果レーザビーム
で走査した際再結晶化の核として特定の位置の結晶粒が
優先されることなく、周辺部からランダムな核発生をひ
き起すことになシ、再結晶化領域は、多結晶化して多結
晶領域１４を形成するが単結晶化をはかることができな
い。

この対策として、従来とは異なった形状を有するレーザ
ビームを用いることが考えられＴＥＭ９１１モードとＴ
ＥＭＩ、９モードの線形結合で表わされるドーナツ状の
発振モードで発振するレーザ装置を用いることにより、
ある程度犬さな結晶粒が得られるように々っだ（このド
ーナツ状の形状を有するレーザビームを用いた単結晶膜
形成法については米国技術雑誌アプライド・フィツクス
・レターズ（ＡｐｐＨｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　）　１９８２年３月１日発行の第４０巻第３９
４〜３９５頁に掲載されているニス・カワムラ（Ｓ、　
Ｋａｗａｍｕｒａ　）氏らの論文に詳しく説明されてい
るので参照されたい。）しかし、このドーナツ状の形状
を有するレーザビームを用いた単結晶膜形成法において
も、次のような欠点があるためにこれを実用化すること
が極めて困難であった。すなわち、ドーナツ状のモード
のレーザ発振は時間的に極めて不安定で変動しやすいた
め、レーザ出力と強度分布形状の安定化が困難であシ、
良質かつ均一な単結晶膜の成長を得がたいことである。

本発明の目的は、上述したような従来の欠点を除去し、
単結晶膜形成用などのレーザ加熱用途での使用に適した
ビーム断面形状を有するレーザビームを安定に形成し得
るビーム形状成形器を提供することにある。

本発明によれば、結晶粒の大きな良質な単結晶膜などを
得るのに適したビーム断面形状を有するレーザビームを
簡便かつ安定に形成できるようになるので、レーザ加熱
法の普及・発達が促進され工業上置するところ大である
。

次に、この発明について図面を参照して詳細に説明する
。

第２図は、この発明の一実施例の構成を示す模式図であ
る。図において１はマルチモード光ファイバであシ、該
マルチモード光ファイバ１の一端にはモードスクランブ
ラ２が融着接続されている。

該マルチモード光ファイバ１としてはコア部４゜５の直
径５０μｍ、クラッド部３の直径１２５μｍ程度のシリ
カ光ファイバを用いている。モードスクランブラ２は該
モードスクランブラに結合されたレーザ光のパワーのモ
ード間分布状態をすみやかに定常状態に導くために用い
られるものであシ、これによって強度分布が断面内でほ
ぼ一様なレーザビームが得られる。該レーザビームは前
記マルチモード光ファイバＩＶｃ結合され、該マルチモ
ード光ファイバ１中を伝搬する。

該マルチモード光ファイバ１のコア部４．５は５− コア外周部４の屈折率にくらベコア中央部５の屈折率が
小さくなるように形成されている。

’ｒ’ｎｒ率の小さなガラス膜（屈折率１．４７　）を
更に内１゛酬の熱源で加熱し、該石英ガラス管を中実化
しさらに紡糸するという化学蒸着ｆｉ（ＣＶＤ法）によ
ってマルチモード光ファイバ１を形成している。該マル
チモード光ファイバ１の入射端のレーザ光強度分布は前
述のごとくほぼ一様であるが、該マルチモード光ファイ
バ１を伝搬中に屈折率の大きいコア外周部４に集中する
ようになり、出射光としてはドーナツ状の強度分布を有
するレーザ光を得ることができる。

モードスクランブラとしては、光ファイバを複数本の円
柱の間で屈曲させて曲シによるモード間結合を生じさせ
るようにしたものや、光ファイバ６− の端面にエツチングを施すことなどによって凹凸を与え
、これによってモード間結合を生じさせるようにしたも
のなどが知られている。本実施例ではモードスクランブ
ラ２として、モードスクランブラ２０入射端面６に輪状
の凹凸を設けたものを用いたが、別にこれに限定する必
要はなくモード単結晶膜形成に応用したときの単結晶膜
形成過程「 、：Ｃいるレーザビームの形状を示す。レーザビームの
形状１１はドーナツ状をしておシ、図中矢印１２の方向
にレーザビームを移動するものとする。

１３はレーザビームの照射直後のため、試料基板上でま
だ溶融状態になっているメルト部である。

また１４．１４’は周辺部からランダムな核発生のため
多結晶となっている領域であシ、１５は中央部からの核
発生が優先され単結晶化されている領域１６は固相一液
相境界線である。

第３図から明らかなように、レーザビームの照射位置を
１２の方向に移動させたとき、被照射領域の中央部では
被照射時間が短いためにその近傍にくらべ冷却同化がは
やく生じ、との固化に伴い中央部から周辺部に向けて矢
印１７に示す方向に従って結晶成長が進行するようにな
るため均一で良質な大面積の単結晶膜が得られる。

本発明を用いて形成されたレーザビームを、照射光学系
を用いて（１００）基板面を有する単結晶シリコン基板
上にまず厚さ６００ｎｍ程度の８１０゜膜を形成し、そ
の上に減圧ＣＶＤ法で形成した厚さ４００ｎｍ程度のポ
リシリコン膜上に照射させ、該ポリシリコン膜の単結晶
化を試みたところ、波長５１５ｎｍ　、照射パワー１０
Ｗ、走査速度６ｔｙｘＡ／）、のとき幅３０ｐｍ、長さ
１朋の単結晶領域が形成できた。なお、このポリシリコ
ン膜の表面には通常よくなされているように、あらかじ
め厚さ１５０ｎｍ程度のＳ　ｌ、Ｎ４膜と厚さ１μｍ程
度のＰＳＧ膜とからなる保護層を設けた。

膜を形成して、本発明を用いて形成されたレーザビーム
を照射すれば、基板と同じ面方位の単結晶領域が得られ
る。

以上述べたごとく、この発明によれば大面積にわたり良
質な単結晶膜を形成するのに適したビーム断面形状を有
するレーザビームを簡便に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザビームを用いた単結晶膜形成過程
を説明する模式図、第２図はこの発明の１・・・マルチ
モード光ファイバ、２・・・モードスクランブラ、３・
・・クラッド部、４・・・コア外周部、５・・・コア中
央部、６・・・モードスクランブラ入射端面、９一 部、１４　、１４’・・・多結晶領域、１５・・・単結
晶領域、１６・・・固相一液相境界線、１７・・・結晶
化の進行す１０− 第　　１　　図 第　２　図 第３　口 升″ Ｉ ○　３ ／

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　マルチモード光ファイバの中心軸に垂直な断
   面内において、コア中央部ではコア外周部にくらべ屈折
   率が小さくなっていることを特徴とするビーム形状成形
   器。
2. （２）　　マルチモード光ファイバの一端ニモードスク
   ランブラを設けた特許請求の範囲第（１）項に記載のビ
   ーム形状成形器。