KR100967072B1 - 레이저 어닐링 방법 및 장치 - Google Patents

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켄이치로 니시다
노리히토 카와구치
미유키 마사키
아츠시 요시노우치
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형이고, 전기장이 직사각형의 장변 방향을 향하는 직선 편광의 직사각형 레이저 빔, 또는, 장축이 장변 방향을 향하는 타원편광의 직사각형 레이저 빔을 생성하는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔을 기판 표면에 입사시키는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔의 파장을 정재파(定在波) 방향의 원하는 결정립 치수 정도의 길이로 설정하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 어닐링 방법 및 장치{LASER ANNEALING METHOD AND DEVICE}
본 발명은, 반도체 장치의 제조 등에 있어서 기판상의 실리콘막 등의 비정질 반도체막에 직사각형 레이저 빔을 조사하여 다결정 또는 단결정 반도체막으로 개질하는 기술, 및 기판상의 다결정 또는 단결정 반도체막에 직사각형 레이저 빔을 조사하여 다결정 또는 단결정 반도체막의 질을 향상시키는 기술에 관한 것이다. 질을 향상시키는 대상인 원래의 다결정 또는 단결정 반도체막으로는, 고상(固相) 성장에 의해 제작한 막과 레이저 어닐링에 의해 제작한 막이 있다. 또한, 다결정 또는 단결정 반도체막의 질 향상이란, (1) 결정립의 치수가 커지는 것, (2) 결정립 중에 있는 결함이 감소되는 것, 및 (3) 결정립 사이에 남아 있는 비정질 부분을 결정화하는 것을 말한다.
반도체 장치의 제조 등에 있어서 기판상에 박막 트랜지스터(이하, TFT(Thin Film Transistor)라고 한다)를 형성하는 경우에 TFT가 형성되는 반도체층으로서 비정질 실리콘막 등의 비정질 반도체막을 이용하면 캐리어의 이동도가 작기 때문에 고속 동작을 할 수 없다. 이 때문에, 통상적으로 비정질 실리콘막을 레이저 어닐링에 의해 결정화한 다결정 또는 단결정 실리콘막으로 한다.
비정질 실리콘막을 레이저 어닐링에 의해 다결정 또는 단결정 실리콘막으로 하기 위해, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 레이저 빔(이하, 직사각형 레이저 빔이라 한다)을 이용하는 경우가 많다. 비정질 실리콘막이 형성된 기판을 이 직사각형의 단변 방향으로 어긋나게 하면서 비정질 실리콘막상에 조사하여 간다. 직사각형 레이저 빔에 의해 다결정 또는 단결정 실리콘막을 형성하는 방법은, 예를 들어 특허 문헌 1에 개시되어 있다.
또한, 본 발명에 관련된 기술로서 비특허 문헌 2 및 비특허 문헌 3이 있다. 이들 문헌에는 편광 레이저 빔을 고체 표면에 조사한 경우에, 고체 표면에 표면 전자파가 여기되고, 이 표면 전자파와 입사 레이저광의 간섭으로 고체 표면에 정재파(定在波)가 발생하고, 이에 의해 고체 표면에 미세 주기적 구조가 형성되는 것이 기재되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2003-347210호 ‘반도체 장치 및 그 제조 방법’
비특허 문헌 1: www.nml.co.jp/new-business/SUB2/investigation/ripples/
texture.pdf
비특허 문헌 2: 레이저 연구 2000년 12월, 제28권 제12호, 824 ~ 828 페이지 ‘레이저 유기 표면 전자파에 의한 금속·반도체의 리플 형성 입사 각도 의존성’
비특허 문헌 3: 1384 ~ 1401 페이지, IEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VOL. QE-22, NO.8, AUGUST, 1986
직사각형 레이저 빔의 조사에 의해 다결정 또는 단결정 실리콘을 형성하는 처리에 있어서, 결정립의 성장 방향은 온도 구배, 즉 레이저 빔의 에너지 구배의 영향을 크게 받는다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 직사각형 레이저 빔의 장변 방향의 에너지는 일정하기 때문에, 장변 방향으로 랜덤한 위치에 핵이 발생하고, 결과적으로 핵이 랜덤한 치수로 성장하게 된다.
또한, 직사각형 레이저 빔의 단변 방향의 에너지 분포에는 도 2에 나타내는 바와 같이 큰 구배가 있다. 따라서, 결정 성장은 단변 방향의 에너지 분포에 극히 민감하므로, 단변 방향의 결정 치수를 균일하게 하는 것은 극히 곤란하였다. 결과적으로 도 3에 나타내는 바와 같이, 단변 방향의 결정 치수 편차는 장변 방향의 치수 편차보다 커지게 된다.
이와 같이, 종래에는 치수가 불균일한 결정립을 가지는 다결정 또는 단결정 실리콘막이 형성된다. 따라서, 이 다결정 또는 단결정 실리콘막에 TFT를 형성하면, 채널부에서 단위길이당 결정립 수의 차이에 기인하여 TFT간에 성능의 편차가 생기게 된다. 또한, 단변 방향과 장변 방향에서 결정립 치수가 크게 다르기 때문에, 장변 방향과 단변 방향에서 TFT의 성능이 크게 달라진다. 이는, TFT의 성능이 채널부를 이동하는 캐리어가 만나는 결정립계가 많을수록 저하되기 때문이다.
본 발명의 제1의 목적은, 장변 방향으로 균일한 치수의 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 얻을 수 있는 레이저 어닐링 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제2의 목적은, 단변 방향으로 균일한 치수의 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 얻을 수 있는 레이저 어닐링 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제3의 목적은, 장변 방향과 단변 방향간에 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 얻을 수 있는 레이저 어닐링 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 제1의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형이고 전기장이 직사각형의 장변 방향을 향하는 직선 편광의 직사각형 레이저 빔, 또는, 장축이 장변 방향을 향하는 타원편광의 직사각형 레이저 빔을 생성하는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔을 기판 표면에 입사시키는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔의 파장을 정재파 방향의 원하는 결정립 치수 정도의 길이로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다(청구항 1).
이 방법에 의해, 입사 직사각형 레이저 빔의 상기 반도체막 표면에 의한 산란광과 입사 직사각형 레이저 빔에 기인하는 정재파를 반도체막 표면상에 발생시켜, 정재파 방향으로 치수가 균일한 결정으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다.
즉, 반도체막상에 편광 방향인 장변 방향으로 정재파가 발생하고, 이 정재파의 주기적인 에너지, 즉 이에 대응하는 온도 구배가 생기게 된다. 따라서, 이 방법으로 비정질 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 장변 방향의 같은 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 장변 방향의 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다. 또한, 이 방법으로 다결정 또는 단결정 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 장변 방향의 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 결정이 성장하므로, 장변 방향의 결정립의 크기가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다. 또한, 직사각형 레이저 빔의 파장을 선택함으로써, 장변 방향으로 원하는 결정립 치수를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제2의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형이고 전기장이 직사각형의 단변 방향을 향하는 직선 편광의 직사각형 레이저 빔, 또는, 장축이 단변 방향을 향하는 타원편광의 직사각형 레이저 빔을 생성하는 단계와,
상기 직사각형 레이저 빔을 기판에 입사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다(청구항 2).
또한, 상기 제2의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 장치로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형이고 전기장이 직사각형의 단변 방향을 향하는 편광된 직선 편광의 직사각형 레이저 빔, 또는, 장축이 단변 방향을 향하는 타원편광의 직사각형 레이저 빔을 생성하여 반도체막 표면에 입사시키는 단변 편광 빔 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다(청구항 6).
이 방법 및 장치에 의해, 입사 직사각형 레이저 빔의 상기 반도체막 표면에 의한 산란광과 입사 직사각형 레이저 빔에 기인하는 정재파를 반도체막 표면상에 발생시켜, 정재파 방향으로 치수가 균일한 결정으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다.
즉, 반도체막상에 편광 방향인 단변 방향으로 정재파가 발생하고, 또는, 타원편광의 장축 방향으로 정재파가 강하게 발생하고, 이 정재파의 주기적인 에너지, 즉 이에 대응하는 온도 구배가 생기게 된다. 따라서, 이 방법 및 장치로 비정질 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 단변 방향의 같은 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 단변 방향의 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다. 또한, 이 방법 및 장치로 다결정 또는 단결정 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 단변 방향의 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 결정이 성장하므로, 단변 방향의 결정립의 크기가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 방법은, 직사각형 레이저 빔의 장변과 수직인 방향으로 기판을 반송하면서 기판의 반도체막 표면을 직사각형 레이저 빔으로 조사하는 단계를 포함하고, 반도체막에 대한 직사각형 레이저 빔의 입사각을, 기판의 반송 방향, 또는, 기판의 반송 방향과 반대 방향으로 증가시키도록 상기 입사각을 조절한다(청구항 3).
상기 입사각을 기판의 반송 방향으로 증가시키면 단변 방향의 결정립 치수가 증가하고, 기판의 반송 방향과 반대 방향으로 증가시키면 단변 방향의 결정립 치수가 감소한다. 따라서, 상기 입사각을 조절함으로써, 단변 방향의 결정립 치수를 조정할 수 있다. 예를 들면, 입사각을 조정하여, 단변 방향의 결정립 치수를 장변 방향으로 형성되는 결정립의 치수와 동일한 정도로 할 수 있다.
상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형이고 전기장의 방향이 직사각형의 장변 방향과 단변 방향으로 교대로 절환되는 편광된 직사각형 레이저 빔을 생성하는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔을 기판 표면에 입사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다(청구항 4).
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 장치로서, 레이저 빔을 출사하는 제1 및 제2의 레이저 발진기와, 제1 및 제2의 레이저 발진기의 레이저 펄스 출사의 타이밍이 서로 어긋나도록 제1 및 제2의 레이저 발진기를 제어하는 펄스 제어부와, 제1의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 직선 편광으로 하는 제1의 편광 수단과, 제2의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 직선 편광으로 하는 제2의 편광 수단과, 제1의 편광 수단으로부터의 레이저 빔과 제2의 편광 수단으로부터의 레이저 빔을 합성하는 빔 합성 수단과, 빔 합성 수단으로부터의 레이저 빔을 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔으로 하여, 기판상에 입사시키는 직사각형 빔 생성 수단을 구비하고, 제1의 편광 수단은 레이저 빔을 상기 직사각형의 장변 방향으로 편광시키고, 제2의 편광 수단은 레이저 빔을 직사각형의 단변 방향으로 편광시키는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다(청구항 8).
이 방법 및 장치에 의해, 입사 직사각형 레이저 빔의 상기 반도체막 표면에 의한 산란광과 입사 직사각형 레이저 빔에 기인하는 방향이 서로 수직인 정재파를 반도체막 표면상에 교대로 발생시켜, 각 정재파 방향으로 치수가 균일한 결정으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다.
즉, 반도체막상에 편광 방향인 장변 방향 및 단변 방향으로 교대로 정재파가 발생하고, 이 정재파의 주기적인 에너지, 즉 이에 대응하는 온도 구배가 생기게 된다. 따라서, 이 방법 및 장치로 비정질 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 장변 방향 및 단변 방향의 같은 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 장변 방향 및 단변 방향의 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다. 또한, 이 방법 및 장치로 다결정 또는 단결정 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 장변 방향 및 단변 방향의 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 결정이 성장하므로, 장변 방향 및 단변 방향의 결정립의 크기가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 직사각형 레이저 빔의 에너지 밀도, 또는, 상기 직사각형 레이저 빔의 단변폭을 조정하여, 형성되는 다결정 또는 단결정 반도체막의 결정립의 치수를 조정한다(청구항 5).
이에 의해, 더욱 세밀한 결정립 치수의 조정을 행할 수 있어, 보다 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 직선 편광된 제1의 레이저 빔을 생성하는 단계와, 직선 편광된 제2의 레이저 빔을 생성하는 단계와, 상기 제1의 레이저 빔의 편광 방향과 상기 제2의 레이저 빔의 편광 방향이 수직이 되도록 상기 제1의 레이저 빔과 제2의 레이저 빔을 합성하는 단계와, 상기 합성된 레이저 빔을 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔으로 하는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔을 기판 표면에 입사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다(청구항 9).
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 장치로서, 레이저 빔을 출사하는 제1 및 제2의 레이저 발진기와, 제1의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔과 제2의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 합성하는 빔 합성 수단과, 빔 합성 수단으로부터의 레이저 빔을 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔으로 하여 기판상에 입사시키는 직사각형 빔 생성 수단을 구비하고, 상기 제1 및 제2의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔은 직선 편광되어 있고, 제1의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔의 편광 방향과 제2의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔의 편광 방향은 상기 기판에 대한 입사 위치에서 수직으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다(청구항 12).
이 방법 및 장치에 의해, 입사 직사각형 레이저 빔의 상기 반도체막 표면에 의한 산란광과 입사 직사각형 레이저 빔에 기인하는 방향이 서로 수직인 정재파를 반도체막 표면상에 발생시켜, 각 정재파 방향으로 치수가 균일한 결정으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있다.
즉, 반도체막상에 서로 수직인 편광 방향으로 정재파가 발생하고, 이 정재파의 주기적인 에너지, 즉 이에 대응하는 온도 구배가 생기게 된다.
따라서, 이 방법 및 장치로 비정질 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 서로 수직인 방향으로 생기는 같은 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 서로 수직인 방향으로 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있고, 그 결과, 장변 방향과 단변 방향간에서의 결정립 치수도 균일해진다.
또한, 이 방법 및 장치로 다결정 또는 단결정 반도체막에 레이저 어닐링을 행한 경우에도, 서로 수직인 각 방향에서의 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 결정이 균일하게 성장하고, 그 결과, 장변 방향 및 단변 방향의 결정립의 크기가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다.
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 원편광된 직사각형 레이저 빔을 생성하는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔을 기판 표면에 입사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다(청구항 10).
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 장치로서, 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 원편광의 직사각형 레이저 빔을 생성하여 반도체막 표면에 입사시키는 원편광 빔 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다(청구항 13).
이 방법 및 장치에 의해, 입사 직사각형 레이저 빔의 반도체막 표면에 의한 산란광과 입사 직사각형 레이저 빔에 기인하는 정재파가 반도체막 표면상에서 편광 방향으로 발생한다. 직사각형 레이저 빔은 원편광 빔이므로, 이 정재파는 빛의 진행 방향에 수직인 면에서 원운동한다. 이에 의해, 이 정재파의 주기적인 에너지, 즉 이에 대응하는 온도 구배가 반도체막 표면상의 모든 방향으로 균등하게 발생하게 된다.
따라서, 이 방법 및 장치로 비정질 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 모든 방향으로 균등하게 발생하는 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 모든 방향으로 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있고, 그 결과, 장변 방향과 단변 방향간에서의 결정립 치수도 균일해진다.
또한, 이 방법 및 장치로 다결정 또는 단결정 반도체막에 레이저 어닐링을 행한 경우에도, 모든 방향으로 균등하게 발생하는 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 결정이 균일하게 성장하고, 그 결과, 장변 방향 및 단변 방향의 결정립의 크기가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다.
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 방법으로서, 직선 편광된 레이저 빔을 생성하는 단계와, 직선 편광된 상기 레이저 빔을 무편광(無偏光)으로 하는 단계와, 무편광의 상기 레이저 빔을 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔으로 하는 단계와, 상기 직사각형 레이저 빔을 기판 표면에 입사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법이 제공된다(청구항 11).
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 행하는 레이저 어닐링 장치로서, 직선 편광된 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 무편광으로 하는 무편광 수단과, 이 무편광 수단으로부터의 레이저 빔을 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔으로 하여, 기판상에 입사시키는 직사각형 빔 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치가 제공된다(청구항 14).
레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔은 직선 편광되어 있는 경우가 많지만, 이 방법 및 장치에 의해 직선 편광된 레이저 빔을 무편광으로 하여 기판에 입사시키므로, 기판의 반도체막 표면에는 정재파가 생기지 않는다.
따라서, 이 방법 및 장치로 기판의 반도체막에 레이저 어닐링을 행한 경우, 결정립이 랜덤한 위치에 발생하고, 또한 결정립의 성장도 랜덤한 방향으로 성장하므로, 어느 특정한 방향으로만 결정립의 치수가 커지는 것이 억제된다. 그 결과, 반도체막의 결정립의 치수가 전체적으로 균일화되고, 장변 방향과 단변 방향간에서의 결정립의 치수도 균일해진다.
또한, 이 방법 및 장치로 다결정 또는 단결정 반도체막에 레이저 어닐링을 행한 경우에도, 결정립의 성장도 랜덤한 방향으로 성장하므로, 어느 특정한 방향으로만 결정립의 치수가 커지는 것이 억제된다. 그 결과, 반도체막의 결정립의 치수가 전체적으로 균일화되고, 장변 방향과 단변 방향간에서의 결정립의 치수가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다.
본 발명의 그 밖의 목적 및 유리한 특징은 도면을 참조하면서 이하에 설명한다.
도 1의 A, 도 1의 B, 도 1의 C는 직사각형 레이저 빔의 조사에 의해 발생하는 기판상의 에너지 밀도와, 형성되는 결정립 치수의 종래의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 직사각형 레이저 빔의 단변 방향의 에너지 분포를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 방법으로 얻어지는 결정립 치수를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 레이저 어닐링 장치에 마련되는 장변용 광학계의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 레이저 어닐링 장치에 마련되는 단변용 광학계의 구성도이다.
도 6의 A 및 도 6의 B는 레이저 빔의 장변 방향의 에너지 분포를 나타내는 도면이다.
도 7의 A 및 도 7의 B는 레이저 빔의 단변 방향의 에너지 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 직사각형 레이저 빔을 조사하면서 기판을 반송하는 동작의 설명도이다.
도 9의 A, 도 9의 B, 도 9의 C는 장변 방향으로 편광시킨 직사각형 레이저 빔의 조사에 의해 기판 표면에서 발생하는 장변 방향의 에너지 분포와, 형성되는 결정립 치수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 실험에 의해 장변 방향으로 편광시킨 직사각형 빔을 조사하여 얻어진 결정립 치수의 상태도이다.
도 11은 실험에 의해 장변 방향으로 편광시킨 고에너지 밀도의 직사각형 빔을 조사하여 얻어진 결정립 치수의 상태도이다.
도 12의 A, 도 12의 B, 도 12의 C는 단변 방향으로 편광시킨 직사각형 레이저 빔의 조사에 의해 기판 표면에서 발생하는 단변 방향의 에너지 분포와, 형성되는 결정립 치수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 단변 방향으로 편광시킨 직사각형 레이저 빔의 조사에 의해 얻어지는 결정립 치수를 나타내는 도면이다.
도 14의 A 및 도 14의 B는 단변 방향으로 편광시킨 직사각형 레이저 빔을 경사 방향으로부터 입사시키는 경우의 설명도이다.
도 15는 실험에 의해 단변 방향으로 편광시킨 직사각형 레이저 빔을 조사하여 얻어진 결정립 치수의 상태도이다.
도 16은 실험에 의해 단변 방향으로 편광시킨 고에너지 밀도의 직사각형 빔을 조사하여 얻어진 결정립 치수의 상태도이다.
도 17은 편광 방향을 장변 방향과 단변 방향으로 교대로 절환하여 직사각형 레이저 빔을 기판에 조사하기 위한 제3 실시형태에 따른 레이저 어닐링 장치의 구성도이다.
도 18의 A 및 도 18의 B는 편광 방향의 조정을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 레이저 어닐링 장치의 구성도이다.
먼저, 본 발명의 원리에 대해 설명한다.
직선 편광의 레이저 빔을 실리콘 기판에 입사시키면, 레이저 빔의 편광 방향, 즉 전기장의 진동 방향으로 주기적으로 나타나는 미세 구조가 형성된다. 이 주기적 미세 구조의 주기는 실리콘 기판에 입사시킨 레이저 빔의 파장 정도이다.
이 현상에 대해 간단히 설명한다(보다 상세하게, 비특허 문헌 2 및 비특허 문헌 3을 참조). 공기 중으로부터 고체에 입사된 레이저 빔은 고체 표면의 미소한 요철에 의해 산란되고 표면 전자파가 고체 매질과 공기 사이에 여기된다. 이 표면 전자파의 전계와 입사 레이저 빔의 전계가 간섭하여, 고체 표면에 레이저광의 파장 정도의 주기를 가지는 정재파가 생긴다. 이 정재파에 의한 용발(ablation)에 의해 주기적 미세 구조가 고체 표면에 형성된다.
본 발명은, 이 표면 전자파와 입사 레이저 빔의 간섭에 의해 발생하는 정재파의 주기적 에너지 분포를 이용하여, 실리콘막 등의 반도체막에 레이저 어닐링 처리를 행한다. 보다 구체적으로, 이 주기적인 에너지 분포를 이용하여, 결정립의 성장을 제어해 균일한 치수로 성장한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.
[제1 실시형태]
도 4 및 도 5는, 반도체 장치 등의 기판(1)상의 비정질 실리콘막에 어닐링 처리를 행하는 레이저 어닐링 장치의 구성을 나타내고 있다. 레이저 어닐링 장치는 직사각형 레이저 빔을 생성하기 위한 광학계를 가진다. 이 광학계는, 이 직사각형 레이저 빔의 장변 방향에 대응하는 장변용 광학계(2)와 단변용 광학계(4)로 구성된다. 도 4는 장변용 광학계(2)의 구성을 나타내고, 도 5는 단변용 광학계(4)의 구성 을 나타내고 있다. 도 4 및 도 5에서 동일한 부호는 장변용 광학계(2)와 단변용 광학계(4)에서 공유되는 광학 요소를 나타내고 있다.
도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 레이저 어닐링 장치는, 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(미도시)와, 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 직선 편광시키는 편광 소자(5)와, 이 직선 편광 빔을 진행 방향에 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔으로 생성하는 빔 확장기(beam expander)(7)를 구비한다. 이하의 설명에서, 직사각형 레이저 빔의 단면 직사각형의 장변 방향 및 단변 방향을 각각 간단히 장변 방향 및 단변 방향이라 한다.
빔 확장기(7)는 입사 레이저 빔을 장변 방향으로 확대시킨다. 레이저 어닐링 장치는 빔 확장기(7)에 의해 장변 방향으로 확대된 레이저 빔이 입사되는 원통형 렌즈 어레이(cylindrical lens array)(9)를 더 구비한다.
또한, 레이저 어닐링 장치는 원통형 렌즈 어레이(9)를 통과한 직사각형 레이저 빔을 기판(1)상에서의 장변 방향의 길이를 조정하는 장변용 집광 렌즈(11)와, 원통형 렌즈 어레이(9)를 통과한 직사각형 레이저 빔을 기판(1)상의 단변 방향으로 집광시키는 단변용 집광 렌즈(12)를 구비한다.
도 6의 A는 빔 확장기(7)를 통과하기 전의 장변 방향의 레이저 빔의 폭 A를 가지는 에너지 분포를 나타내고 있고, 도 6의 B는 비정질 실리콘막을 조사할 때의 장변 방향의 폭 A’을 가지는 에너지 분포를 나타내고 있다. 또한, 도 7의 A는 빔 확장기(7)를 통과하기 전의 단변 방향의 레이저 빔의 폭 B를 가지는 에너지 분포를 나타내고 있고, 도 7의 B는 비정질 실리콘막을 조사할 때의 단변 방향의 폭 B’을 가지는 에너지 분포를 나타내고 있다. 도 6의 B에 나타내는 바와 같이, 조사시의 직사각형 레이저 빔의 에너지는 장변 방향으로 거의 일정하다.
제1 실시형태에 따르면, 상술한 편광 소자(5)에 의해 레이저 빔은 직선 편광되는데, 그 편광의 방향은 장변 방향이다. 즉, 비정질 실리콘막에 조사되는 직사각형 레이저 빔의 전기장은 장변 방향을 향하고 있다. 한편, 편광 소자(5) 대신, 유리면 등에서 레이저 빔을 브루스터 각(Brewster's angle)으로 반사시켜 직선 편광으로 하는 등, 다른 방법으로 직선 편광시켜도 된다.
또한, 레이저 어닐링 장치는, 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4)에 의해 비정질 실리콘막에 직사각형 레이저 빔을 입사시키고 있을 때에, 비정질 실리콘막이 표면에 형성된 기판(1)을, 도 8의 화살표 방향으로 소정 속도로 반송하는 반송 장치(미도시)를 더 구비한다. 이 반송 장치에 의해 직사각형 레이저 빔을 반도체막 표면에 입사시키면서, 장변 방향과 수직인 방향으로 기판을 반송하여 반도체막 표면의 원하는 범위를 직사각형 레이저 빔으로 조사할 수 있다. 도 8의 화살표로 나타내는 방향은 장변 방향에 수직이며 단변 방향에 대응한다. 이하, 직사각형 레이저 빔의 단변을 기판 표면상에 수직 투영 시킨 방향도, 간단히 단변 방향이라 한다. 한편, 반송 장치는 반송 수단을 구성한다.
한편, 다른 적절한 광학계를 이용해 직사각형 레이저 빔을 생성하여 비정질 실리콘막에 조사해도 된다.
이 장변 방향으로 편광된 직사각형 레이저 빔을 기판(1)상의 비정질 실리콘막에 조사함으로써, 비정질 실리콘막 표면의 미소한 요철에 의해 산란되어 여기된 표면 전자파와 직사각형 레이저 빔이 간섭하여 발생하는 비정질 실리콘막상의 정재파에 대응하여 장변 방향으로 주기적인 에너지 분포가 발생한다. 도 9의 A는, 이 정재파에 대응하는 장변 방향의 주기적인 에너지 분포를 나타내고 있다.
비정질 실리콘막에는 이 주기적인 에너지 분포에 대응하여 주기적인 온도 분포가 생긴다. 따라서, 용융 실리콘의 응고 과정에서 핵 발생의 임계 온도까지 냉각된 개소에 결정립의 핵이 발생한다. 이 핵의 발생 개소는 온도가 보다 낮은 개소이며, 구체적으로, 도 9의 B에 나타내는 바와 같이, 도 9의 A의 주기적 에너지 분포의 골의 위치이다. 이 핵 발생 개소로부터 핵이 주변의 온도가 높은 부분을 향해 성장하여 서로의 결정이 서로 부딪쳐 성장이 멈춘 개소가 결정립계가 된다. 결과적으로, 결정립이 도 9의 C에 나타내는 바와 같이, 에너지 분포에 의존한 주기적인 위치에 생기게 되므로, 장변 방향의 결정립의 치수가 균일해진다.
이와 같이 직사각형 레이저를 조사하면서 기판(1)을 단변 방향으로 반송하여 비정질 실리콘막 전체를 직사각형 레이저 빔으로 조사한다. 이때, 레이저 빔의 장변 방향의 에너지 분포는 시간적으로 변화하지 않기 때문에, 장변 방향으로 등간격의 결정을 실리콘막 전체에 걸쳐 형성할 수 있다.
또한, 정재파의 에너지 주기는 직사각형 레이저 빔의 파장 정도가 된다. 따라서, 조사에 이용하는 직사각형 레이저 빔의 파장을 선택함으로써, 장변 방향의 원하는 결정립 치수를 얻을 수 있다.
또한, 직사각형 레이저 빔의 에너지 밀도를 변화시킴으로써도, 형성되는 결정립의 치수를 조정할 수 있다. 도 10은 전기장의 방향이 장변 방향이고 파장이 1 ㎛인 직사각형 레이저 빔을 에너지 밀도 450mJ/㎠ ~ 500mJ/㎠으로 비정질 실리콘막에 수직으로 조사하여 얻어진 다결정 또는 단결정 실리콘 중의 결정립을 나타내고 있다. 한편, 도 11은 전기장의 방향이 장변 방향이고 파장이 1㎛인 직사각형 레이저 빔을 500mJ/㎠보다 큰 에너지 밀도로 비정질 실리콘막에 수직으로 조사하여 얻어진 다결정 또는 단결정 실리콘 중의 결정립을 나타내고 있다. 도 10에서 장변 방향의 결정립 치수는 1.0㎛ 정도인데 대해, 도 11에서는 장변 방향의 결정립 치수는 1.5㎛ 정도이다. 이 실험 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 에너지 밀도가 증가하면, 상술한 정재파의 에너지 주기보다 큰 치수의 결정립이 얻어진다.
한편, 직선 편광 레이저 빔 대신, 장축이 장변 방향을 향한 타원편광의 레이저 빔으로부터 직사각형 레이저 빔을 생성해도, 상술한 바와 같은 효과가 얻어진다.
[제2 실시형태]
이어서, 본 발명의 제2 실시형태에 대하여 설명한다.
제2 실시형태에서는, 레이저 어닐링 장치는 제1 실시형태의 것과 같지만, 편광 소자(5)의 편광 방향이 제1 실시형태와 다르다. 제2 실시형태에서, 편광 소자(5)는 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 전기장이 단변 방향을 향하도록 직선 편광시키고, 그 후 빔 확장기(7)에 의해 직사각형 레이저 빔을 생성한다. 이와 같이 하여, 전기장이 단변 방향을 향한 직사각형 레이저 빔을 생성해 비정질 실리콘막에 입사시킨다. 한편, 레이저 빔을 출사시키는 레이저 발진기와, 단변 방향으로 편광시키는 편광 소자(5)를 포함하는 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4)는 단변 편광 빔 생성 수단을 구성한다. 레이저 발진기가 단변 방향으로 직선 편광된 레이저 빔을 출사하는 경우에는 편광 소자(5)를 생략할 수 있다.
제1 실시형태와 마찬가지로 도 8에 나타내는 바와 같이, 직사각형 레이저 빔이 비정질 실리콘 기판(1)상에 입사되어 있는 상태로, 단변 방향으로 기판(1)을 소정 속도로 이동시킨다. 이에 의해, 비정질 실리콘막 전체에 단변 방향으로 편광된 직사각형 레이저 빔을 조사한다.
비정질 실리콘막에 입사된 직사각형 레이저 빔이 비정질 실리콘막상의 미소한 요철에 의해 산란되어 표면 전자파가 여기된다. 이 표면 전자파와 입사되어 오는 직사각형 레이저 빔이 간섭함으로써, 비정질 실리콘막 표면에 단변 방향으로 정재파가 발생한다. 따라서, 이 정재파는 단변 방향으로 주기적인 에너지를 가진다. 한편, 입사되는 직사각형 레이저 빔의 단변 방향의 에너지 분포는 상술한 바와 같이 도 7의 B에 나타내게 된다. 이 정재파의 주기적인 에너지 분포와 직사각형 레이저 빔의 단변 방향의 에너지 분포를 중첩시킨 것이 비정질 실리콘막상의 에너지 분포가 된다. 도 12의 A의 실선으로 나타낸 곡선은 이 정재파의 에너지 분포와, 입사되어 오는 직사각형 레이저 빔의 에너지 분포(파선으로 나타낸 곡선)를 합한 에너지 분포를 나타내고 있다.
도 12의 A의 에너지 분포에 의해 용융된 실리콘의 단변 방향에는 이 에너지 분포에 대응한 온도 분포가 발생한다. 도 12의 B에 나타내는 바와 같이, 에너지 분포의 골의 위치에 결정핵이 발생한다. 그 후, 단변 방향에서 결정핵은 온도가 보다 높은 개소를 향해 성장하여 서로의 결정이 서로 부딪쳐 성장이 멈춘 개소가 결정립 계가 된다. 결과적으로, 도 12의 C에 나타내는 바와 같이 단변 방향으로 치수가 균일한 결정으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 실리콘이 형성된다.
정재파의 에너지 주기는 직사각형 레이저 빔의 파장 정도가 된다. 따라서, 형성되는 결정립의 단변 방향의 치수는 정재파의 마디(節) 또는 배(腹)의 간격, 즉 직사각형 레이저 빔의 반파장 정도가 된다. 따라서, 조사에 이용하는 직사각형 레이저 빔의 파장을 선택함으로써, 단변 방향의 원하는 결정립 치수를 얻을 수 있다.
한편, 도 6의 B를 참조하여 상술한 바와 같이, 직사각형 레이저 빔의 장변 방향의 에너지는 일정하므로, 장변 방향으로 랜덤한 위치에 결정핵이 발생하고, 장변 방향으로 랜덤한 치수로 성장한 결정립이 형성된다. 전형적으로는, 장변 방향으로 성장한 결정립의 치수는 수백 나노미터 정도가 된다. 수백 나노미터 정도의 파장을 이용함으로써, 장변 방향과 단변 방향의 결정립의 치수를 동일한 정도로 할 수 있다. 따라서, 형성되는 다결정 또는 단결정 실리콘의 장변 방향의 결정립 치수 정도가 되도록 직사각형 레이저 빔의 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 도 13에 나타내는 바와 같은 결정립 치수를 얻을 수 있다.
또한, 제2 실시형태에 따르면, 비정질 실리콘막에 대한 직사각형 레이저 빔의 입사각을 조정하여 기판(1)을 반송시키면서 직사각형 레이저 빔을 비정질 실리콘막에 입사시키면, 입사각에 따른 단변 방향의 결정립 치수를 얻을 수 있다. 즉, 입사각을 조정함으로써, 단변 방향의 결정립 치수를 조정할 수 있다. 이하, 이에 대해 설명한다.
도 14의 A와 같이 입사각 θ를 기판(1)의 반송 방향으로 증가시키면, [수학 식 1]로 나타내는 바와 같이, 이 정재파의 마디 또는 배의 간격 X는 증가한다. 한편, [수학식 1]에 있어서, λ는 레이저 빔의 파장이다.
Figure 112007092067612-pct00001
한편, 도 14의 B와 같이 입사각 θ를 기판(1)의 반송 방향과 반대 방향으로 증가시키면, [수학식 2]로 나타내는 바와 같이, 이 정재파의 마디 또는 배의 간격 X는 감소한다. 한편, [수학식 2]에 있어서, λ는 레이저 빔의 파장이다. 이에 관한 설명은 비특허 문헌 1에 기재되어 있다.
Figure 112007092067612-pct00002
따라서, 직사각형 레이저 빔의 입사각을 조정함으로써, 정재파의 주기가 변화하고, 단변 방향에서 이 정재파의 에너지 주기와 같은 치수의 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 실리콘을 형성할 수 있다. 이와 같이, 직사각형 레이저 빔의 입사각을 조정하여 결정립의 치수를 조정할 수 있다.
직사각형 레이저 빔의 입사각을 조정하려면, 광학계 또는 기판을 경사시킬 수 있다. 광학계를 경사시키는 경우에는, 예를 들면, 광학계를 일체로 구성해 두고, 광학계 전체를 요동 장치로 경사시킨다. 기판을 경사시키는 경우에는, 기판(1)을 반송하는 반송대를 요동 장치로 경사시킨다. 이러한 요동 장치는 공지의 적절한 것이면 된다. 광학계 또는 반송대를 경사시키는 요동 장치는 입사각 조정 수단을 구성한다.
제2 실시형태에 따르면 직사각형 레이저 빔의 파장을 선택하는 대신에, 또는, 직사각형 레이저 빔의 파장의 선택에 더해 직사각형 레이저 빔이 비정질 실리콘막에 입사되는 각도를 조정함으로써, 발생되는 정재파의 파장, 즉 단변 방향의 결정립 치수를 조정할 수 있다.
또한, 직사각형 레이저 빔의 에너지 밀도를 변화시킴으로써도 형성되는 결정립의 치수를 조정할 수 있다. 도 15는, 전기장의 방향이 단변 방향이고 파장이 1㎛인 직사각형 레이저 빔을 에너지 밀도를 450mJ/㎠ ~ 500mJ/㎠로 하고 입사각을 기판 반송 방향으로 10도로 하여 비정질 실리콘막에 조사하여 얻어진 다결정 또는 단결정 실리콘 중의 결정립을 나타내고 있다. 한편, 도 16은, 전기장의 방향이 단변 방향이고 파장이 1㎛인 직사각형 레이저 빔을 500mJ/㎠보다 큰 에너지 밀도로 하고 입사각을 기판 반송 방향으로 10도로 하여 비정질 실리콘막에 수직으로 조사하여 얻어진 다결정 또는 단결정 실리콘 중의 결정립을 나타내고 있다. 도 15에서는 단변 방향의 결정립 치수가 1.0㎛ 정도인데 대해, 도 16에서는 단변 방향의 결정립 치수가 1.5㎛ 정도이다. 이 실험 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 에너지 밀도가 증가하면 상술한 정재파의 에너지 주기보다 큰 치수의 결정립이 얻어진다.
[제3 실시형태]
이어서, 본 발명의 제3 실시형태에 대하여 설명한다.
도 17은, 제3 실시형태에 따른 진행 방향에 수직인 단면이 직사각형인 직사 각형 레이저 빔을 비정질 실리콘막에 조사하여 다결정 또는 단결정 실리콘을 형성하는 레이저 어닐링 장치의 구성을 나타내고 있다. 이 레이저 어닐링 장치는 1쌍의 레이저 발진기(21, 22)와, 각 레이저 발진기(21, 22)에 대응하여 마련되는 편광 소자(24, 25)와, 레이저 발진기(21)로부터의 레이저 빔을 반사시키는 반사 미러(27)와, 2개의 레이저 발진기(21, 22)로부터의 레이저 빔을 합성하는 빔 스플리터(28)를 구비한다. 빔 스플리터(28)로부터의 합성 빔은, 제1 실시형태의 도 4 및 도 5에 나타낸 것과 같은 광학계에 입사되어 직사각형 빔이 생성되고, 이 직사각형 빔이 기판(1)의 비정질 실리콘막에 입사된다. 도 17에서는, 파선으로 나타내는 바와 같이 도 4에 대응하는 장변용 광학계(2)만 나타내고 있으며(단, 도 4의 편광 소자(5)는 이용하지 않는다), 단변용 광학계(4)는 도 5의 것과 동일하므로 생략한다. 한편, 편광 소자(24, 25)는 편광 수단을 구성하지만, 다른 적절한 것으로 편광 수단을 구성해도 무방하다. 또한, 제3 실시형태에서 이용하고 있는 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4)는 직사각형 빔 생성 수단을 구성하지만, 다른 적절한 것으로 직사각형 빔 생성 수단을 구성해도 무방하다. 빔 스플리터(28)와 반사 미러(27)는 빔 합성 수단을 구성하지만, 다른 적절한 것으로 빔 합성 수단을 구성해도 무방하다.
제3 실시형태에 따르면, 편광 소자(24, 25)는 각각 레이저 발진기(21, 22)로부터의 레이저 빔을 직선 편광시킨다. 편광 소자(24)에 의한 편광 방향은 장변 방향이고, 편광 소자(25)에 의한 편광 방향은 단변 방향이다.
또한, 제3 실시형태에 있는 레이저 어닐링 장치는 레이저 발진기(21, 22)로 부터의 레이저 펄스 출사의 타이밍이 서로 어긋나도록, 레이저 발진기(21, 22)를 제어하는 펄스 제어부(29)를 더 구비한다. 따라서, 빔 스플리터(28)에 의해 합성된 레이저 빔의 편광 방향은 장변 방향과 단변 방향으로 교대로 절환되게 된다.
또한, 레이저 어닐링 장치는 제1 실시형태와 마찬가지로 기판(1)을 단변 방향으로 소정 속도로 반송하는 반송 장치를 더 구비한다.
전기장의 방향이 교대로 절환되는 직사각형 레이저 빔을 기판(1)상의 비정질 실리콘막에 입사시키면서 기판(1)을 단변 방향으로 반송함으로써, 비정질 실리콘막 전체를 직사각형 레이저 빔으로 조사한다.
전기장이 장변 방향을 향한 직사각형 레이저 빔에 의한 기판(1)상의 조사 개소의 장변 방향 에너지 분포는 도 9의 A에 나타내는 것과 같고, 전기장이 단변 방향을 향한 직사각형 레이저 빔에 의한 기판(1)상의 조사 개소의 단변 방향 에너지 분포는 도 12의 A에 나타내는 것과 같다. 따라서, 용융된 실리콘의 장변 방향 및 단변 방향에는 각각 도 9의 A 및 도 12의 A의 에너지 분포에 대응한 온도 분포가 발생한다. 용융 실리콘의 응고 과정에서 핵 발생의 임계 온도까지 냉각된 개소에 결정립의 핵이 발생한다. 결정핵의 발생 개소는 도 9의 A 및 도 12의 A의 에너지 분포의 골의 위치이다. 이들 결정핵은 온도가 높은 장변 방향 및 단변 방향을 향하여 성장하고, 결정이 서로 부딪쳐 성장이 멈춘 개소가 결정립계가 된다. 결과적으로, 장변 방향 및 단변 방향으로 치수가 균일한 결정으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 실리콘이 형성된다.
한편, 전기장의 방향이 장변 방향과 단변 방향으로 교대로 절환되는 합성 레 이저 빔 대신, 원편광된 레이저 빔을 이용하여 직사각형 빔을 생성해도 상술한 바와 같은 효과가 얻어진다.
또한, 제3 실시형태에서도 직사각형 레이저 빔의 에너지 밀도를 변화시켜 결정립의 치수를 조정해도 무방하다.
[제4 실시형태]
이어서, 본 발명의 제4 실시형태에 대하여 설명한다.
제4 실시형태에 따른 레이저 어닐링 장치는 도 17에 나타내는 제3 실시형태의 레이저 어닐링 장치와 같다.
단, 제4 실시형태에서는, 펄스 제어부(29)는 레이저 발진기(21, 22)로부터의 레이저 펄스 출사의 타이밍이 서로 어긋나도록 레이저 발진기(21, 22)를 제어하지 않아도 된다. 즉, 펄스 제어부(29)는 레이저 발진기(21, 22)로부터의 레이저 펄스 출사의 타이밍을 제어하지만, 레이저 발진기(21, 22)로부터의 레이저 펄스가 서로 중첩되어 있어도 무방하다. 또한, 레이저 발진기(21, 22)는 직선 편광을 출사하도록 구성되어 있어, 도 17의 편광 소자(24, 25)가 생략될 수 있다. 예를 들면, 레이저 발진기(21, 22) 자체가 직선 편광을 출사하는 것이어도 되지만, 그렇지 않은 경우에는 레이저 발진기(21, 22)에 각각 도 17의 편광 소자(24, 25)가 조립되어 있다.
제4 실시형태에 따르면, 제1의 레이저 발진기(21)로부터의 레이저 빔의 편광 방향과 제2의 레이저 발진기(22)로부터의 레이저 빔의 편광 방향은, 기판(1)에 대한 입사 위치에서 수직이 되어 있도록 레이저 어닐링 장치가 설정된다.
따라서, 기판(1)의 비정질 실리콘막상에 서로 수직인 편광 방향으로 정재파 가 발생하고, 도 9의 A에 나타내는 바와 같은 정재파의 주기적인 에너지가 발생하고, 이에 대응하는 온도 구배가 생기게 된다.
그 결과, 제3 실시형태의 경우와 마찬가지로, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 서로 수직인 방향으로 발생하는 같은 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 서로 수직인 방향으로 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있고, 그 결과 장변 방향과 단변 방향간에서의 결정립 치수도 균일해진다.
제4 실시형태에서는, 빔 스플리터(28)와 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4) 사이에, 편광 방향을 조절하는 λ/2 파장판 등의 편광 소자를 마련해도 된다. 이 편광 소자에 의해, 예를 들면 도 18의 A와 같이, 레이저 빔의 편광 방향이 장변 방향과 단변 방향으로 향하고 있는 상태로부터, 도 18의 B와 같이, 레이저 빔의 편광 방향이 장변 방향과 단변 방향으로부터 45도만큼 기울어져 있는 상태로 할 수 있다.
[제5 실시형태]
이어서, 본 발명의 제5 실시형태에 대하여 설명한다.
도 19는, 제5 실시형태에 따른 진행 방향에 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔을 비정질 실리콘막에 조사하여 다결정 또는 단결정 실리콘을 형성하는 레이저 어닐링 장치의 구성을 나타내고 있다.
이 레이저 어닐링 장치는 제4 실시형태와 같은 레이저 발진기(21)와, 레이저 발진기(21)로부터의 직선 편광 레이저 빔을 원편광으로 하는 λ/4 파장판(31)과, λ/4 파장판(31)으로부터의 레이저 빔을 직사각형 레이저 빔으로 하는 상술한 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4)(단, 도 4 및 도 5의 편광 소자(5)는 이용하지 않는다)를 구비한다. 도 19에 있어서, 편의상 단변용 광학계(4)는 생략되어 있다.
한편, λ/4 파장판(31)은 직선 편광 레이저 빔을 원편광으로 하는 원편광 수단을 구성하지만, 다른 적절한 것으로 원편광 수단을 구성해도 무방하다. 또한, 레이저 발진기(21), 원편광 수단, 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4)는 원편광 빔 생성 수단을 구성하지만, 다른 적절한 것으로 원편광 빔 생성 수단을 구성해도 무방하다.
이와 같은 구성을 가지는 레이저 어닐링 장치에 의해 기판(1)의 비정질 실리콘막상에 원편광의 직사각형 레이저 빔을 입사시킨다.
이에 의해, 비정질 실리콘막상에서 발생하는 정재파는 빛의 진행 방향에 수직인 면에서 원운동한다. 이에 의해, 이 정재파의 주기적인 에너지, 즉 이에 대응하는 온도 구배가 반도체막 표면상의 모든 방향으로 균등하게 발생하게 된다.
따라서, 이 방법 및 장치로 비정질 반도체막에 레이저 어닐링을 행하면, 이 주기적 에너지의 골의 위치에 결정핵이 발생하고, 각 결정핵은 온도가 보다 높은 방향으로 성장하여 서로 부딪친 개소가 결정립계가 된다. 따라서, 주기적인 위치에 발생한 결정핵은 모든 방향으로 균등하게 발생하는 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 성장하므로, 모든 방향으로 치수가 균일한 결정립으로 이루어지는 다결정 또는 단결정 반도체막을 형성할 수 있고, 그 결과 장변 방향과 단변 방향간에서의 결 정립 치수도 균일해진다.
[제6 실시형태]
이어서, 본 발명의 제6 실시형태에 대하여 설명한다.
제6 실시형태에 따른 레이저 어닐링 장치는 상기 λ/4 파장판(31)을 제외하고 도 19에 나타내는 제5 실시형태의 레이저 어닐링 장치와 같다.
제6 실시형태에 따르면, 레이저 어닐링 장치는 도 19의 λ/4 파장판(31) 대신, 레이저 발진기(21)로부터의 직선 편광 레이저 빔을 무편광으로 하는 편광 해소판을 구비한다. 한편, 편광 해소판은 직선 편광을 무편광으로 하는 무편광 수단을 구성하지만, 다른 적절한 것으로 무편광 수단을 구성해도 무방하다.
이 편광 해소판에 의해 레이저 발진기(21)로부터의 직선 편광 레이저 빔을 무편광의 레이저 빔으로 할 수 있다. 그리고, 편광 해소판으로부터의 무편광의 레이저 빔이 장변용 광학계(2) 및 단변용 광학계(4)를 통과하여 직사각형 레이저 빔이 된다. 따라서, 무편광의 직사각형 레이저 빔이 기판(1)의 비정질 실리콘막에 입사된다.
이와 같이, 제6 실시형태에 따르면, 직선 편광된 레이저 빔을 무편광으로 하여 기판(1)에 입사시키므로, 기판(1)의 비정질 실리콘막 표면에는 정재파가 생기지 않는다.
따라서, 결정립이 랜덤한 위치에 발생하고 또한 결정립의 성장도 랜덤한 방향으로 성장하므로, 어느 특정한 방향으로만 결정립의 치수가 커지는 것이 억제된다. 그 결과, 반도체막의 결정립의 치수가 전체적으로 균일화되고, 장변 방향과 단 변 방향간에서의 결정립 치수도 균일해진다.
[그 밖의 실시형태]
한편, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 직사각형 레이저 빔의 단변 방향의 형상을 조정하여 결정립 치수를 조정해도 무방하다. 이 단변 방향의 형상 조정은 직사각형 레이저 빔의 단변의 길이를 조정하여 행하여도 된다. 이에 의해, 단변 방향의 에너지 구배를 작게 할 수 있어, 결정립의 단변 방향의 성장을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명은 비정질 실리콘막 뿐만 아니라, 다른 비정질 반도체막에도 적용할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태는 비정질 반도체막에 직사각형 레이저 빔을 조사하여 다결정 또는 단결정 반도체막으로 개질하는 경우의 것이지만, 비정질 반도체막 대신에 다결정 또는 단결정 반도체막에 직사각형 레이저 빔을 조사하여 다결정 또는 단결정 반도체막의 질을 향상시켜도 된다. 이에 의해, 장변 방향 및 단변 방향의 일방 또는 양방에 주기적인 온도 구배의 영향을 받아 결정이 성장하므로, 장변 방향 및 단변 방향의 일방 또는 양방의 결정립의 크기가 균일해지도록 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다. 이 경우, 본 발명은 다결정 또는 단결정 실리콘막이나 다른 다결정 또는 단결정 반도체막의 질 향상에 적용할 수 있다. 단, 제6 실시형태의 경우에는 어느 특정한 방향으로만 결정립의 치수가 커지는 것이 억제됨으로써, 다결정 또는 단결정 반도체막의 질이 향상된다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 기판의 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 레이저 어닐링을 행하는 레이저 어닐링 방법으로서,
    진행 방향과 수직인 단면이 직사각형이고 전기장의 방향이 상기 직사각형의 장변 방향과 단변 방향으로 교대로 전환되는 편광된 직사각형 레이저 빔을 생성하는 단계와,
    상기 직사각형 레이저 빔을 상기 기판의 표면에 입사시키는 단계를 포함하는, 레이저 어닐링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 직사각형 레이저 빔의 에너지 밀도는 500 mJ/cm2보다 큰, 레이저 어닐링 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 기판의 표면에 형성된 반도체막에 레이저 빔을 조사함으로써 레이저 어닐링을 행하는 레이저 어닐링 장치로서,
    레이저 빔들을 출사하는 제1 및 제2의 레이저 발진기와,
    상기 제1 및 제2의 레이저 발진기들의 레이저 펄스 출사의 타이밍들이 서로 어긋나도록 상기 제1 및 제2의 레이저 발진기들을 제어하는 펄스 제어부와,
    상기 제1의 레이저 발진기로부터의 상기 레이저 빔을 직선 편광으로 하는 제1의 편광 수단과,
    상기 제2의 레이저 발진기로부터의 상기 레이저 빔을 직선 편광으로 하는 제2의 편광 수단과,
    상기 제1 레이저 발진기로부터의 상기 레이저 빔과 제2의 레이저 발진기로부터의 상기 레이저 빔을 합성하는 빔 합성 수단과,
    상기 빔 합성 수단으로부터의 레이저 빔을 진행 방향과 수직인 단면이 직사각형인 직사각형 레이저 빔이 되게 하는 직사각형 빔 생성 수단을 구비하고,
    상기 제1의 편광 수단은 상기 레이저 빔을 상기 직사각형의 장변 방향으로 편광시키고, 상기 제2의 편광 수단은 상기 레이저 빔을 상기 직사각형의 단변 방향으로 편광시키는, 레이저 어닐링 장치.
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