KR20150060743A - 결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치 - Google Patents

결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치 Download PDF

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가부시끼가이샤 니혼 세이꼬쇼
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Abstract

비정질 반도체를 보다 균일하게 결정화할 수 있는 결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치를 제공하기 위해 복수의 펄스 레이저 광원(2, 3)과 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 안내하는 광학계(12)를 갖고, 각 펄스 레이저광이 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 적어도 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 갖고, 또한 상기 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상기 1펄스에 있어서의 최대 높이로 되어 있고, 상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비로 하고, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여 상기 복수의 펄스 레이저광의 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 한다.

Description

결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치{METHOD FOR MANUFACTURING CRYSTALLINE SEMICONDUCTOR AND DEVICE FOR MANUFACTURING CRYSTALLINE SEMICONDUCTOR}
본 발명은 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사해서 결정화하여 결정질 반도체를 얻는 결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치에 관한 것이다.
액정 디스플레이나 유기 EL(Electro-Luminescence) 디스플레이의 화소 스위치나 구동 회로에 사용되는 박막 트랜지스터에서는 저온 프로세스의 제조 방법의 일환으로서 레이저광을 이용해서 결정질 반도체를 얻는 공정이 포함되어 있다. 이 공정은 기판 상에 성막된 비단결정 반도체막에 레이저광을 조사해서 국부적으로 가열하고, 그 냉각 과정에서 반도체 박막을 다결정 또는 단결정으로 결정화하는 것이다. 결정화된 반도체 박막은 캐리어의 이동도가 높아지기 때문에 박막 트랜지스터를 고성능화할 수 있다.
상기 레이저광의 조사에 있어서는 반도체 박막에서 균질한 처리가 행해질 필요가 있어, 일반적으로 비정질막에 조사되는 펄스 레이저광의 에너지 밀도를 일정하게 하는 제어가 이루어지고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에서는 펄스 레이저광의 최대 피크 높이를 일정하게 유지함으로써 양질의 결정화를 가능하게 하는 레이저 조사 장치가 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는 레이저 광원으로부터 출력된 복수의 레이저빔을 결합하여 묶는 방법으로 복수의 레이저빔의 동작 타이밍을 제어해서 펄스 파형을 제작하는 레이저 조사 장치가 제안되어 있다.
일본 특허 3293136호 공보 일본 특허 공개 2002-176006호 공보
상기 펄스 레이저 광원으로서 엑시머 가스 등의 가스를 이용하는 것에서는 방전 방식에 의해 레이저광을 발진시키고 있다. 그 때에, 1회째의 고전압에 의한 방전 후 잔류 전압에 의해 복수의 방전이 발생되고, 그 결과 복수의 피크군을 갖는 레이저광이 발생된다. 이러한 펄스 레이저 광원으로부터 출력되는 복수의 펄스 레이저광을 사용하는 경우, 피크 형상의 차이에 의해 동일한 에너지 밀도로 펄스 레이저광을 피조사물에 조사한 경우라도 레이저광 조사에 의한 결과가 다른 경우가 있다.
또한, 종래의 레이저 조사 장치는 일반적으로 레이저광의 출력을 에너지 모니터에 의해 제어하는 구성으로 되어 있어 레이저광의 에너지 밀도를 동일하게 유지하여 동작시킬 수 있다. 그러나, 펄스 레이저 광원에서는 에너지 밀도를 일정하게 유지해도, 가스 혼합비의 변화 등에 의해서 경시적으로 피크 형상이 변화된다. 이 때문에, 레이저광의 조사에 의해 비정질 반도체를 결정화하는 경우, 결정화 작용이 변화되어 양질이고 동등한 결정이 얻어지기 어렵다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 배경으로 해서 이루어진 것이고, 비정질 반도체를 보다 균일하게 결정화할 수 있는 결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
즉, 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법 중 제 1 본 발명은, 다른 경로로 도파되는 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사해서 상기 비정질 반도체를 결정화하는 결정질 반도체의 제조 방법으로서,
상기 복수의 펄스 레이저광은 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 적어도 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 갖고, 또한 상기 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상기 1펄스에 있어서의 최대 높이로 되어 있고,
상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비로 하고, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 상기 복수의 펄스 레이저광의 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
제 2 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1 본 발명에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광은 상기 비정질 반도체 상에서 서로 다른 펄스 발생 타이밍에서 조사되는 것을 특징으로 한다.
제 3 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1 또는 제 2 본 발명에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광은 복수의 레이저 광원으로부터 출력된 것을 특징으로 한다.
제 4 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1~제 3 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광은 상기 비정질 반도체 상에 같은 에너지 밀도로 조사되는 것을 특징으로 한다.
제 5 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1~제 4 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광에 있어서의 상기 최대 피크 강도비는 미리 설정된 소정 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
제 6 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1~제 5 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 기준 최대 피크 강도비는 상기 복수의 펄스 레이저광 중 하나의 펄스 레이저광에 있어서의 최대 피크 강도비인 것을 특징으로 한다.
제 7 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1~제 6 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광은 각 펄스 레이저광 중 어느 것의 사이에 있어서도 한쪽의 상기 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 다른쪽의 상기 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 8 본 발명의 결정질 반도체의 제조 방법은, 상기 제 1~제 7 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 비정질 반도체는 기판 상에 형성된 비정질 규소 박막인 것을 특징으로 한다.
제 9 본 발명의 결정질 반도체의 제조 장치는, 1개 또는 2개 이상의 레이저 광원과,
상기 레이저 광원으로부터 출력되고, 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 적어도 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 갖고, 상기 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상기 1펄스에 있어서의 최대 높이이고, 다른 경로로 도파되는 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 안내하는 광학계를 갖고,
상기 복수의 펄스 레이저광은 각각의 펄스 레이저광에서 상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 10 본 발명의 결정질 반도체의 제조 장치는, 상기 제 9 본 발명에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광은 다른 펄스 발생 타이밍을 가져서 상기 비정질 반도체에 조사되는 것을 특징으로 한다.
제 11 본 발명의 결정질 반도체의 제조 장치는, 상기 제 9 또는 제 10 본 발명에 있어서 상기 다른 펄스 발생 타이밍은 상기 레이저 광원 또는/및 상기 광학계에서 부여되고 있는 것을 특징으로 한다.
제 12 본 발명의 결정질 반도체의 제조 장치는, 상기 제 9~제 11 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 레이저 광원으로부터 출력되는 상기 최대 피크 강도비를 조정하는 피크 강도비 조정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 13 본 발명의 결정질 반도체의 제조 장치는, 상기 제 9~제 12 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광을 같은 에너지 밀도로 상기 비정질 반도체에 조사하기 위해 상기 에너지 밀도를 설정하는 에너지 밀도 설정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 14 본 발명의 결정질 반도체의 제조 장치는, 상기 제 9~제 13 본 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 복수의 펄스 레이저광을 상기 비정질 반도체에 대해 상대적으로 주사해서 조사하는 주사 장치를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 다른 경로를 도파되는 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사해서 상기 비정질 반도체를 결정화할 때에, 각 펄스 레이저광이 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 포함하는 복수의 피크군을 갖고, 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 1펄스에 있어서의 최대 높이로 되어 있다. 또한, 본 발명으로서는 1펄스에 피크군이 3개 이상 나타나는 것이어도 좋다.
펄스 레이저광에 있어서의 피크군이란 1펄스 중에서 시간적으로 근접해서 나타나는 하나 또는 복수의 피크가 모아진 것으로서, 1펄스에는 적어도 2개의 피크군이 나타난다. 피크군 사이에는 에너지 강도의 극소값이 존재한다.
복수의 펄스 레이저광은 복수의 레이저 광원으로부터 출력된 것이어도 좋고 하나의 레이저 광원으로부터 출력되어 분파된 것이어도 좋고, 또한 이것들이 조합된 것이어도 좋다. 복수의 펄스 레이저광이 도파되는 경로는 광원, 광학계를 포함해 적어도 일부가 다르다면 좋고, 공통 경로를 갖는 것은 제외되지 않는다.
2nd/1st 최대 피크 강도비가 다르면 비정질 반도체의 결정화에 최적인 조사 에너지 밀도가 다른 것은, 본원 발명자들의 연구에 의해 명백하게 되어 있다.
도 6~도 8은 2nd/1st 최대 피크 강도비가 18.2%, 23.0% 및 26.2%인 경우의 각각에 대해서 다른 에너지 밀도의 펄스 레이저광의 조사에 의해 비정질 규소 박막을 결정화해서 얻어진 다결정 규소 박막의 불균일 모니터의 사진(콘트라스트의 강조 처리)을 나타내고 있다. 이것들로부터 최적으로 되는 에너지 밀도가 어긋나 있는 것을 확인할 수 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 2nd/1st 최대 피크 강도비가 18.2%인 경우, 조사 에너지 밀도 430mJ/㎠, 440mJ/㎠ 및 450mJ/㎠ 중 440mJ/㎠에서 가장 불균일이 적은 다결정 규소 박막 표면이 얻어져 440mJ/㎠가 최적의 조사 에너지 밀도인 것을 알 수 있다.
또한, 도 7에 나타내는 바와 같이 2nd/1st 최대 피크 강도비가 23.0%인 경우, 조사 에너지 밀도 440mJ/㎠, 450mJ/㎠ 및 460mJ/㎠ 중 450mJ/㎠에서 가장 불균일이 적은 다결정 규소 박막 표면이 얻어져 450mJ/㎠가 최적의 조사 에너지 밀도인 것을 알 수 있다.
또한, 도 8에 나타내는 바와 같이 2nd/1st 최대 피크 강도비가 26.2%인 경우, 조사 에너지 밀도 450mJ/㎠, 460mJ/㎠ 및 470mJ/㎠ 중 460mJ/㎠에서 가장 불균일이 적은 다결정 규소 박막 표면이 얻어져 460mJ/㎠가 최적의 조사 에너지 밀도인 것을 알 수 있다.
또한, 결정 규소막의 조사 불균일 평가는 이하의 방법에 의해서 행했다.
결정 규소막에 검사광을 각각의 예에서 5지점에 조사하고, 각각 반사광을 수광해서 컬러 화상을 취득하여 컬러 화상의 색 성분을 검출하고, 검출된 색 성분에 의거해서 컬러 화상을 모노크롬화했다. 이어서, 모노크롬화된 화상의 데이터를 콘볼루션하여 화상 농담을 강조한 화상 데이터를 취득하여 표면 불균일을 평가했다.
모노크롬화는 검출된 색 성분 중 주가 되는 색 성분을 이용해서 행할 수 있고, 주가 되는 색 성분은 광분포가 다른 색 성분보다 상대적으로 큰 색 성분이라고 할 수 있다.
모노크롬화된 화상 데이터는 레이저의 빔 방향을 행, 레이저의 주사 방향을 열로 하는 행렬 데이터로 나타내고, 콘볼루션에서는 소정 계수의 행렬을 모노크롬화된 화상의 데이터의 행렬에 곱함으로써 행했다.
소정 계수의 행렬은 빔 방향을 강조하는 것과 스캔 방향을 강조하는 것을 각각 이용해서 빔 방향의 화상 농담을 강조한 화상 데이터와 스캔 방향의 화상 농담을 강조한 화상 데이터를 각각 불균일 모니터로 해서 취득했다.
구체적으로는, 이하의 콘볼루션을 행했다. 또한, 소정 계수의 행렬이 하기에 한정되는 것은 아니다.
Figure pct00001
도 9에 나타내는 그래프는, 상기와 같이 해서 얻어진 최적의 에너지 밀도와 2nd/1st 최대 피크 강도비를 대응시켜서 나타낸 것이다. 또한, 그래프에는 상기에서 설명한 측정 결과 이외도 도시되어 있다. 도 9에 나타내는 그래프로부터 명백한 바와 같이, 2nd/1st 최대 피크 강도비가 증가됨에 따라서 결정화에 최적인 조사 에너지 밀도도 증가되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 2nd/1st 최대 피크 강도비가 다르면, 비정질 반도체의 결정화에 최적인 조사 에너지 밀도도 달라진다.
그래서, 본 발명에서는 상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비로 하고, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 상기 복수의 펄스 레이저광의 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 하고 있다.
상기 최대 피크 강도비는 레이저 광원으로부터 출력된 후에 조정하는 것은 곤란하여, 통상은 레이저 광원의 출력시에 설정된다. 최대 피크 강도비의 설정은 레이저 광원의 출력 조정, 출력 회로의 설정, 매질인 가스의 혼합비의 조정 등에 의해 행할 수 있다.
또한, 기준 최대 피크 강도비는 복수의 펄스 레이저광 중 어느 하나의 펄스 레이저광에 있어서의 초기의 최대 피크 강도비를 사용하거나, 실험적으로 미리 정해 놓거나 할 수 있다. 또한, 직전의 조사에 있어서의 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 설정해도 좋다. 또한, 복수의 임의의 펄스 레이저광 사이에서 한쪽의 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 이 기준 최대 피크 강도비에 대해 다른쪽의 펄스 레이저광에 있어서의 최대 피크 강도비가 4% 이하의 차로 되도록 해도 좋다.
상기와 같이, 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비에 대해 차가 4% 이하로 되도록 하는 것은 다음의 이유에 의한다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 에너지 밀도는 1펄스에 있어서 제 1 피크군에 있어서의 에너지 강도의 시간 적분과 제 2 피크군에 있어서의 에너지 강도의 시간 적분의 합에 의해서 나타낼 수 있다. 또한, 동일 기판 상에서는 비정질 반도체의 결정화에 최적으로 되는 에너지 밀도는 일정하다. 그 최적 에너지 밀도는 레이저 펄스 파형, 구체적으로는 최대 피크 강도비에 영향을 받고 있다. 펄스 파형의 면적은 에너지 밀도를 의미한다. 최적 에너지 밀도는 통상의 비정질 규소 박막에 있어서 10mJ/㎠ 정도의 허용폭(OED 범위: 최적 에너지 밀도 범위)을 갖는다. 이 허용폭 내이면, 레이저 처리에 의한 결정화는 동등하게 행해진다. 그 허용폭을 충족시키기 위해서 최대 피크 강도비의 차는 4% 이내로 하는 것이 필요해진다. 그 때문에, 상기 차를 4% 이하로 했다.
예를 들면, 피크 강도의 단위를 임의 단위로 해서 2nd/1st 최대 피크 강도비가 18.2%인 경우, 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상대 수치로 100, 2번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 마찬가지로 18.2이면 최적 에너지 밀도는 439.5mJ/㎠로 된다. 2nd/1st 최대 피크 강도비가 23.1%인 경우, 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상대 수치로 93, 2번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 21.5이면 최적 에너지 밀도는 451.3mJ/㎠로 된다. 2nd/1st 최대 피크 강도비가 26.2%인 경우, 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상대 수치로 89, 2번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 23.5이면 최적 에너지 밀도는 459.2mJ/㎠로 된다.
이들 관계로부터 최소 제곱법에 의한 1차 회귀를 행하면 도 9에 나타내는 선형 A가 얻어진다. 이 선형 A에 의거하면, 예를 들면 2nd/1st 최대 피크 강도비가 22.4%인 경우를 보면 최적 에너지 밀도의 폭(10mJ/㎠)은 455mJ/㎠~445mJ/㎠의 범위 내에 있다. 최적 에너지 밀도 445mJ/㎠에 대응하는 2nd/1st 최대 피크 강도비는 20.44%이고, 최적 에너지 밀도 455mJ/㎠에 대응하는 2nd/1st 최대 피크 강도비가 24.49%이다. 이 폭을 최대 피크 강도비의 차로 나타내면 24.49%-20.44%=4.05%로 된다. 따라서, 최대 피크 강도비의 차를 4% 이하로 하면, 최적 에너지 밀도에 있어서의 허용 범위 내에 포함될 수 있다.
또한, 복수의 펄스 레이저광은 서로 다른 펄스 발생 타이밍에서 비정질 반도체에 조사되어 단위 시간당 비정질 반도체에 조사되는 펄스수를 증가시킬 수 있고, 또한 의사적으로 펄스폭을 확대시킬 수 있다.
서로 다른 펄스 발생 타이밍은 레이저 광원에 의한 출력시에 얻어져도 좋고, 또한 경로 도중에서 위상차가 부여되어서 얻어지는 것이어도 좋다. 분파에 의해 위상차를 부여할 수 있지만, 펄스 레이저광의 분파도 그 수단이 특별히 한정되는 것이 아니고, 빔 스플리터 등을 적절하게 이용할 수 있다.
다른 펄스 발생 타이밍에서 비정질 반도체에 의해 펄스 레이저광이 조사될 때에 펄스가 서로 겹치지 않도록 해도 좋고, 또한 펄스의 일부가 겹치도록 해도 좋다.
또한, 펄스 레이저광의 경로에는 펄스 레이저광의 투과율을 조정 가능한 가변 감쇠기를 설치할 수 있다. 가변 감쇠기에 의해 펄스 레이저광을 소망의 에너지 밀도로 비정질 반도체에 조사할 수 있고, 또한 공통되는 에너지 밀도로 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사할 수 있다.
또한, 펄스 레이저광의 에너지 밀도는 펄스 레이저 광원의 출력의 제어와 상기 가변 감쇠기의 한쪽 또는 양쪽에 의해 행할 수 있다.
(발명의 효과)
이상과 같이 본 발명에 의하면, 다른 경로로 도파되는 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사해서 상기 비정질 반도체를 결정화하는 결정질 반도체의 제조 방법으로서,
상기 복수의 펄스 레이저광은 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 적어도 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 갖고, 또한 상기 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상기 1펄스에 있어서의 최대 높이로 되어 있고,
상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비로 하고, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 상기 복수의 펄스 레이저광의 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 하므로, 비정질 반도체를 보다 균일하게 결정화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태의 레이저 어닐 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 마찬가지로 펄스 레이저광의 계측 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 마찬가지로 펄스 레이저광에 있어서의 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 마찬가지로 2대의 펄스 레이저 광원으로부터 출력되는 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비를 설명하는 도면이다.
도 5는 마찬가지로 2대의 펄스 레이저 광원으로부터 출력되는 펄스 레이저광의 중첩을 설명하는 도면이다.
도 6은 마찬가지로 최대 피크 강도비 18.2%로 에너지 밀도를 변경한 펄스 레이저광의 조사에 의해 비정질 규소 박막을 결정화해서 얻어진 다결정 규소 박막의 불균일 모니터에 의한 도면 대용 사진이다.
도 7은 마찬가지로 최대 피크 강도비 23.0%로 에너지 밀도를 변경한 펄스 레이저광의 조사에 의해 비정질 규소 박막을 결정화해서 얻어진 다결정 규소 박막의 불균일 모니터에 의한 도면 대용 사진이다.
도 8은 마찬가지로 최대 피크 강도비 26.2%로 에너지 밀도를 변경한 펄스 레이저광의 조사에 의해 비정질 규소 박막을 결정화해서 얻어진 다결정 규소 박막의 불균일 모니터에 의한 도면 대용 사진이다.
도 9는 마찬가지로 펄스 레이저광에 있어서의 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도에 대한 2번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도의 비와 결정화에 최적인 조사 에너지 밀도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 마찬가지로 기준 펄스 레이저광 이외의 다른 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 설정하는 이유를 설명하는 도면이다.
본 발명의 일실시형태에 대해서 첨부 도면에 의거해서 설명한다.
우선, 본 실시형태의 결정질 반도체의 제조 장치에 대해서 도 1 및 도 2를 이용해서 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 결정질 반도체의 제조 장치에 상당하는 레이저 어닐 장치(1)는 펄스 레이저광을 출력하는 2대의 펄스 레이저 광원(2, 3)을 갖고 있다.
펄스 레이저 광원(2, 3)은 각각, 예를 들면 엑시머 레이저 발진 광원이며, 파장 308㎚, 펄스 주파수 1~600Hz의 펄스 레이저광을 출력하는 것이다.
펄스 레이저 광원(2)의 출력측에는 펄스 레이저 광원(2)으로부터 출력되는 펄스 레이저광의 감쇠율을 조정 가능한 가변 감쇠기(4)가 배치되어 있다. 또한, 펄스 레이저 광원(3)의 출력측에는 펄스 레이저 광원(3)으로부터 출력되는 펄스 레이저광의 감쇠율을 조정 가능한 가변 감쇠기(5)가 배치되어 있다.
가변 감쇠기(4)의 출력측에는 가변 감쇠기(4)로부터 출력되는 펄스 레이저광의 일부를 계측용으로 투과하고, 잔부를 처리용으로 반사하는 하프 미러(6)가 배치되어 있다.
하프 미러(6)의 투과측에는, 도 2에 나타내는 바와 같이 펄스 레이저광의 파형을 계측하는 계측기(7)의 수광부(7a)가 배치 가능하게 되어 있다. 계측기(7)에는 제어부(8)가 전기적으로 접속되어 있고, 계측기(7)의 계측 결과가 제어부(8)에 출력된다.
가변 감쇠기(5)의 출력측에는 하프 미러(6)에 의해 반사된 펄스 레이저광을 일면측에서 광학계(12)측으로 반사하고, 가변 감쇠기(5)로부터 출력되는 펄스 레이저광을 타면측에서 반사하는 미러(9)가 배치되어 있다.
미러(9)의 상기 타면 반사측에는 하프 미러(10)가 배치되어 있고, 미러(9)에 의해 반사된 펄스 레이저광의 일부를 계측용으로 투과하고, 잔부를 처리용으로 광학계(12)측으로 반사된다.
하프 미러(10)의 투과측에는, 도 2에 나타내는 바와 같이 펄스 레이저광의 파형을 계측하는 계측기(11)의 수광부(11a)가 배치 가능하게 되어 있다. 계측기(11)에는 제어부(8)가 전기적으로 접속되어 있고, 계측기(11)의 계측 결과가 제어부(8)에 출력된다.
광학계(12)는 미러(9)의 한쪽의 반사면에서 반사된 펄스 레이저광과 하프 미러(10)에 의해 반사된 펄스 레이저광의 2개의 펄스 레이저광을 도파하고, 빔 형상의 정형 등을 행해서 동일 경로에 출사하도록 구성되어 있다. 광학계(12)는, 예를 들면 미러, 렌즈, 호모게나이저 등에 의해 구성된다.
광학계의 구성은 본 발명으로서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 펄스 레이저광의 수에 따라서 복수 형성될 수도 있다.
또한, 제어부(8)에는 펄스 레이저 광원(2, 3) 및 가변 감쇠기(4, 5)가 제어 가능하게 접속되어 있고, 제어부(8)는 펄스 레이저 광원(2, 3)의 출력 조정이나 펄스 개시 타이밍의 설정, 가변 감쇠기(4, 5)에서의 감쇠율의 제어 등 레이저 어닐 장치(1) 전체의 제어를 행한다.
제어부(8)는 CPU와 이것을 동작시키는 프로그램, 그 프로그램 등을 격납하는 ROM, 작업 영역이 되는 RAM, 데이터를 불휘발로 유지하는 플래시 메모리 등을 구비한 것으로 할 수 있다.
제어부(8)는 펄스 레이저 광원(2, 3)의 출력 조정에 의해 펄스 레이저광에 있어서의 최대 피크 강도비의 조정을 행할 수 있다. 또한, 제어부(8)의 제어에 의해 펄스 레이저 광원(2, 3)의 가스 혼합비를 조정하여, 결과적으로 펄스 레이저광에 있어서의 최대 피크 강도비의 조정을 행하도록 해도 좋다. 이들 제어에 있어서, 제어부(8)는 피크 강도비 조정부에 상당한다.
또한, 펄스 레이저광의 비정질 반도체 상의 에너지 밀도는 제어부(8)에 의한 펄스 레이저 광원(2, 3)에서의 출력 조정이나 가변 감쇠기(4, 5)에서의 감쇠율 조정에 의해 설정할 수 있다. 즉, 제어부(8) 및 가변 감쇠기(4, 5)는 에너지 밀도 설정부에 상당한다.
광학계(12)의 출사측에는 복수로 이루어지는 펄스 레이저광의 일부를 계측용으로 투과하고, 잔부를 처리용으로 반사하는 하프 미러(13)가 배치되어 있다.
하프 미러(13)의 투과측에는 각 펄스 레이저광의 에너지 밀도를 측정하는 계측기(14)의 수광부(14a)가 배치되어 있다. 계측기(14)에는 제어부(8)가 전기적으로 접속되어 있어 계측기(14)의 계측 결과가 제어부(8)에 출력된다.
하프 미러(13)의 반사측에는 비정질 반도체막(15a)이 형성된 기판(15)을 유지하는 스테이지(16)가 배치되어 있다. 기판(15)은, 예를 들면 유리 기판이며, 비정질 반도체막(15a)은, 예를 들면 비정질 규소 박막이다.
스테이지(16)는 스테이지(16)의 면 방향(XY 방향)을 따라서 이동 가능하게 되어 있다. 스테이지(16)에는 상기 면 방향을 따라서 스테이지(16)를 고속 이동시키는 이동 장치(17)가 구비되어 있다.
이어서, 레이저 어닐 장치(1)를 이용한 비정질 반도체막(15a)을 원료로 하는 반도체 제조 방법에 대해서 설명한다.
스테이지(16) 상에는 결정화해야 할 비결정질 반도체(15a)가 상층에 형성된 기판(15)을 적재해서 유지한다.
본 발명에서는 비정질 반도체로서 기판 상에 형성된 비정질 규소 박막이 적합하게 사용된다. 비정질 규소 박막을 결정화함으로써 다결정 규소 박막을 얻을 수 있다. 비정질 규소 박막은 통상은 45~55㎚의 두께로 형성되어 있지만, 본 발명으로서는 그 두께가 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 기판에는 통상은 유리 기판이 이용되지만, 본 발명으로서는 기판의 재질이 특별히 한정되는 것이 아니고, 기타 재질이어도 좋다.
이어서, 제어부(8)에 의해 펄스 레이저 광원(2, 3)을 각각 제어하여 펄스 레이저 광원(2, 3)으로부터 각각 펄스 레이저광을 출력한다. 각 펄스 레이저광은 동일한 파장, 동일한 반복 주파수를 갖고, 펄스 개시 타이밍이 달라서 비정질 반도체막 상에서 위상차를 갖도록 한다. 각 펄스 레이저광에 있어서의 펄스 개시 타이밍의 설정에 의해 다른 펄스 레이저광 사이에서 반복 주파수에 대해 위상차를 갖도록 서로 다른 펄스 발생 타이밍에서 각각 펄스 레이저광을 출력하여 비정질 반도체막(15a)에 조사한다.
엑시머 레이저 발진기 등의 펄스 레이저 광원(2, 3)으로부터 출력되는 펄스 레이저광은, 도 3에 나타내는 바와 같이 시간적 변화에 있어서 1펄스에 1번째의 피크군(P1)과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군(P2)을 갖고 있다. 또한, 1번째의 피크군(P1)에 있어서의 최대 피크 강도(a)는 2번째의 피크군(P2)에 있어서의 최대 피크 강도(b)보다 크고, 최대 피크 강도(a)가 1펄스에 있어서의 최대 높이로 되어 있다.
도 3에서는 동일한 엑시머 레이저 발진기를 이용해서 그 출력 에너지를 850mJ, 950mJ 및 1,050mJ로 각각 설정한 경우의 펄스 파형을 나타내고 있다. 최대 피크 강도비(b/a)(이후, 적절히 「2nd/1st 최대 피크 강도비」라고 칭함)는 출력 에너지가 높을수록 커지고 있고, 출력 에너지가 작을수록 작아진다.
펄스 레이저 광원(2, 3)으로부터 출력된 펄스 레이저광은 각각 가변 감쇠기(4, 5)에 이르고, 이것을 통과함으로써 소정의 감쇠율로 감쇠된다. 감쇠율은 제어부(8)에 의해 제어되어 비정질 반도체막(15a) 상에서 펄스 레이저 광원(2, 3)으로부터 출력된 펄스 레이저광이 각각 동일한 에너지 밀도가 되도록 조정된다.
가변 감쇠기(4)에 의해 감쇠되어서 출력된 펄스 레이저광은 하프 미러(6)에 의해 일부가 투과되고, 잔부가 반사된다. 하프 미러(6)를 투과한 펄스 레이저광은 수광부(7a)에서 수광되고, 계측기(7)에 의해 펄스 파형이 측정된다. 계측기(7)에 의한 펄스 파형의 계측 결과는 제어부(8)에 송신된다.
하프 미러(6)에 의해 반사된 펄스 레이저광의 잔부는 전반사 미러(9)의 한쪽의 반사면에서 반사되어서 광학계(12)에 도입된다.
가변 감쇠기(5)에 의해 감쇠되어서 출력된 펄스 레이저광은 미러(9)의 다른 쪽의 반사면에서 반사되어서 하프 미러(10)에 입사된다. 하프 미러(10)에 입사된 펄스 레이저광은 하프 미러(10)에서 일부가 투과되어서 수광부(11a)에서 수광되고, 잔부가 반사되어 광학계(12)에 입사된다. 수광부(11a)에서 수광된 펄스 레이저광은 계측기(11)에 의해 펄스 파형이 계측된다. 계측기(11)에 의한 펄스 파형의 계측 결과는 제어부(8)에 송신된다.
제어부(8)에서는 계측기(7, 11)에 의해서 얻어진 펄스 파형의 계측 결과에 의거해서 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도의 비를 최대 피크 강도비로서 산출한다.
구체적으로는 도 4에 나타내는 바와 같이, 펄스 레이저 광원(2)으로부터 출력된 펄스 레이저광에 관해서는 2nd/1st 최대 피크 강도비(R1)는 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도(a1)에 대한 2번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도(b1)의 비(b1/a1)로 나타내어진다. 또한, 다른쪽의 펄스 레이저 광원(3)으로부터 출력되는 펄스 레이저광의 2nd/1st 최대 피크 강도비(R2)는 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도(a2)에 대한 2번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도(b2)의 비(b2/a2)로 나타내어진다.
이 실시형태에서는 최대 피크 강도비(R1)의 초기값을 기준 최대 피크 강도비(R0)로 하고, 그 후의 최대 피크 강도비(R1) 및 최대 피크 강도비(R2)가 기준 최대 피크 강도비(R0)에 대해 4% 이하의 차로 되도록 제어한다.
제어 방법으로서는 펄스 레이저 광원(2, 3)의 출력을 조정함으로써 최대 피크 강도비가 변동을 4% 이하로 조정할 수 있다. 펄스 레이저광의 출력 변화가 최대 피크 강도비로서 나타내는 것은 도 3에 나타내는 바와 같이 명백하다.
펄스 레이저 광원(2, 3)의 출력 조정에 의한 에너지 밀도의 변동은 가변 감쇠기(4, 5)의 감쇠율을 조정함으로써 상쇄된다. 가변 감쇠기(4, 5)에서의 감쇠율의 조정은 최대 피크 강도비에 영향을 거의 주지 않기 때문에 에너지 밀도의 조정만을 목적으로 해서 감쇠율을 조정할 수 있다.
최대 피크 강도비가 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 포함되어 있는 각 펄스 레이저광은 광학계(12)에서 소망에 의한 정형이 이루어지면서 도파가 이루어져 동일 광로 상에 출사된다. 광학계(12)를 출사시킨 복수의 펄스 레이저광은 하프 미러(13)에서 일부가 투과되고, 수광부(14a)에서 수광되며, 잔부가 하프 미러(13)에서 반사되어서 비정질 반도체막(15a)에 조사된다. 비정질 반도체막(15a)은 이동 장치(17)에 의해서 이동하는 스테이지(16)와 함께 이동함으로써 펄스 레이저광이 상대적으로 주사되면서 조사된다.
또한, 수광부(14a)에서 수광되는 각 펄스 레이저광은 계측기(14)의 계측 결과에 있어서 각 펄스 레이저광이 동일한 에너지 밀도로 되도록 가변 감쇠기(4, 5)의 감쇠율을 설정한다. 수광부(14a)에 있어서의 수광 위치는 비정질 반도체막(15a)으로의 조사면을 상정하는 위치에 설정되어 있다.
비정질 반도체막(15a) 상에서는 에너지 밀도가 동일하게 설정되고 또한 최대 피크 강도비가 기준 최대 피크 강도비에 대해 차가 4% 이하로 유지되어 있어, 비정질막이 균일하고 또한 양호하게 결정화된다. 상기 최대 피크 강도비의 조정에 의해 다른 펄스 레이저 광원(2, 3)으로부터 출력된 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비의 차를 작게 할 수 있고, 또한 경시적인 변화도 작게 할 수 있다.
또한, 펄스 레이저 광원(2, 3)은 적합하게는 펄스 레이저광에 있어서의 펄스가 서로 겹치지 않고, 반복 주파수에 대해 소정의 위상차를 갖도록 서로 다른 펄스 발생 타이밍에서 각각 펄스 레이저광을 출력한다.
구체적으로는, 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이 펄스 레이저 광원(2, 3)이 모두 펄스 주파수 600Hz에서 펄스 레이저광을 출력하는 경우에 있어서, 펄스 레이저 광원(2)에 대해서 펄스 레이저 광원(3)은 반주기 지연된 펄스 발생 타이밍에서 펄스 레이저광을 출력한다. 이것에 의해, 비정질 반도체막(15a)에는 펄스 레이저 광원(2, 3)의 2배의 펄스 주파수 1,200Hz의 펄스 레이저광이 실질적으로 조사되게 된다.
서로 다른 펄스 발생 타이밍에서 각각 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사함으로써 펄스 주파수를 실질적으로 증가시킬 수 있고, 높은 생산성으로 펄스 레이저광의 조사를 행할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 2대의 펄스 레이저 광원(2, 3)을 사용하는 것에 대해 설명했지만, 2대를 초과하는 복수대의 펄스 레이저 광원을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 스테이지(16)를 이동시킴으로써 펄스 레이저광을 상대적으로 주사하는 것으로 했지만, 펄스 레이저광이 안내되는 광학계를 고속으로 동작시킴으로써 펄스 레이저광을 상대적으로 주사하는 것으로 해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는 복수의 펄스 레이저광에서 동일한 에너지 밀도로 비정질 반도체막에 조사되는 것으로 설명했지만, 복수의 펄스 레이저광이 다른 에너지 밀도로 비정질 반도체에 조사되도록 설정되는 것이어도 좋다.
이상, 본 발명에 대해서 상기 실시형태에 의거해서 설명을 행했지만, 본 발명은 상기 실시형태의 내용에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한은 적절한 변경이 가능하다.
1: 레이저 어닐 장치 2: 펄스 레이저 광원
3: 펄스 레이저 광원 4: 가변 감쇠기
5: 가변 감쇠기 6: 하프 미러
7: 계측기 7a: 수광부
8: 제어부 9: 전반사 미러
10: 하프 미러 11: 계측기
11a: 수광부 12: 광학계
13: 하프 미러 14: 계측기
14a: 수광부 15: 기판
15a: 비정질 반도체막 16: 스테이지
17: 이동 장치

Claims (14)

  1. 다른 경로로 도파되는 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 조사해서 상기 비정질 반도체를 결정화하는 결정질 반도체의 제조 방법으로서,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 적어도 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 갖고, 또한 상기 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상기 1펄스에 있어서의 최대 높이로 되어 있고,
    상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비로 하고, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 상기 복수의 펄스 레이저광의 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 상기 비정질 반도체 상에서 서로 다른 펄스 발생 타이밍에서 조사되는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 복수의 레이저 광원으로부터 출력된 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 상기 비정질 반도체 상에 같은 에너지 밀도로 조사되는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광에 있어서의 상기 최대 피크 강도비는 미리 설정된 소정 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 최대 피크 강도비는 상기 복수의 펄스 레이저광 중 하나의 펄스 레이저광에 있어서의 최대 피크 강도비인 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 각 펄스 레이저광 중 어느 것의 사이에 있어서도 한쪽의 상기 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 다른쪽의 상기 펄스 레이저광의 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되어 있는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정질 반도체는 기판 상에 형성된 비정질 규소 박막인 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 방법.
  9. 1개 또는 2개 이상의 레이저 광원과,
    상기 레이저 광원으로부터 출력되고, 시간적 강도 변화에 있어서 1펄스에 적어도 1번째의 피크군과 그 후에 나타나는 2번째의 피크군을 갖고, 상기 1번째의 피크군에 있어서의 최대 피크 강도가 상기 1펄스에 있어서의 최대 높이이고, 다른 경로로 도파되는 복수의 펄스 레이저광을 비정질 반도체에 안내하는 광학계를 갖고,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 각각의 펄스 레이저광에서 상기 1번째의 피크군의 상기 최대 피크 강도(a)와 상기 2번째의 피크군의 최대 피크 강도(b)의 비(b/a)를 최대 피크 강도비, 기준이 되는 상기 최대 피크 강도비를 기준 최대 피크 강도비로 하여, 상기 최대 피크 강도비가 상기 기준 최대 피크 강도비에 대해 4% 이하의 차로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광은 다른 펄스 발생 타이밍을 가져서 상기 비정질 반도체에 조사되는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 다른 펄스 발생 타이밍은 상기 레이저 광원 또는/및 상기 광학계에서 부여되고 있는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 출력되는 상기 최대 피크 강도비를 조정하는 피크 강도비 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광을 같은 에너지 밀도로 상기 비정질 반도체에 조사하기 위해 상기 에너지 밀도를 설정하는 에너지 밀도 설정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체의 제조 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 펄스 레이저광을 상기 비정질 반도체에 대해 상대적으로 주사해서 조사하는 주사 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 장치.
KR1020157008506A 2012-10-05 2013-10-02 결정질 반도체의 제조 방법 및 결정질 반도체의 제조 장치 KR102108025B1 (ko)

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