WO2004023537A1 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

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WO2004023537A1
WO2004023537A1 PCT/JP2003/011229 JP0311229W WO2004023537A1 WO 2004023537 A1 WO2004023537 A1 WO 2004023537A1 JP 0311229 W JP0311229 W JP 0311229W WO 2004023537 A1 WO2004023537 A1 WO 2004023537A1
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laser beam
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Junichiro Nakayama
Shinya Okazaki
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Sharp Kabushiki Kaisha
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing method and a laser processing apparatus for crystallizing an amorphous material used as a semiconductor material for a semiconductor device or the like by laser beam irradiation.
  • Semiconductor devices are formed on single-crystal silicon (Si), which also serves as a substrate, or on a Si thin film formed on a glass substrate. Such a semiconductor device is provided in an image sensor, an active matrix liquid crystal display device, and the like.
  • a semiconductor device provided in a liquid crystal display (LCD: Liquid Crystal Display) is composed of, for example, a thin film transistor (TFT) on a transparent substrate.
  • Transistor is formed by forming a regular array, and each TFT functions as a pixel controller.
  • LCDs are required to have low power consumption, high response speed, brighter, and higher resolution.
  • improvements in LCD performance are due to improvements in the performance of TFTs, which are pixel controllers, and especially in switching characteristics. It largely depends on the improvement.
  • the switching characteristics of the TFT are improved by improving the mobility of the carrier electrons in the transistor. It is known that the electron mobility in a transistor is higher when Si, which is the material of the transistor, is crystallized than when it is amorphous. For this reason, although TFT, which is frequently used in general-purpose LCDs, is formed on an amorphous Si thin film, crystallized Si is being used instead of this amorphous Si.
  • the polycrystalline structure of Si is formed, for example, by irradiating a laser beam emitted from an excimer laser to amorphous Si to melt it and crystallize Si in a solidification process.
  • simply melting and solidifying Si merely results in random formation of many small crystal grains having different sizes and different crystal orientations.
  • a large number of small crystal grains are formed, a large number of crystal grain boundaries forming crystal grains are formed, and these crystal grain boundaries trap electrons and act as barriers for electron transfer, resulting in crystallization.
  • the effect of improving electron mobility is not sufficiently exhibited.
  • the electron mobility differs for each crystal. In other words, a large number of TFTs having different operation performances are formed. Non-uniformity occurs.
  • FIG. 11 is a simplified system diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 1 used in the prior art.
  • the laser processing device 1 includes an excimer laser 2 as a light source that emits a pulsed laser beam, a plurality of mirrors 3 that reflect the laser beam emitted from the excimer laser 2 and change its direction, and a variable An attenuator 4, a variable focus field lens 5, a projection mask 6 for passing the laser beam transmitted through the variable focus field lens 5 in a predetermined pattern, and a laser beam passing through the projection mask 6. It comprises an imaging lens 7 for forming an image on the sample 8 and a stage 9 on which the sample 8 can be placed and on which the sample 8 can be moved.
  • a sample 8 is crystallized as follows using a laser processing apparatus 1 shown in FIG. In forming a laterally extending crystalline region in the film of semiconductor material on the substrate, which is sample 8, (a) using pulsed radiation that induces heat in the semiconductor material, Exposing one portion to melt the semiconductor material of the first portion over its thickness; and (b) solidifying the semiconductor of the first portion, at least one at a boundary portion of the first portion. Forming a first portion of the semiconductor crystal as a previous portion for the next process; and (c) step-moving from the previous portion in a step moving direction and at least one semiconductor crystal and a portion. Exposing another portion of the semiconductor which overlaps specifically; and (d) melting said another portion.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2000-5005 241 (pages 15 to 16;
  • the above-described prior art has the following problems. Since only one exposure to one part of the semiconductor material is made with the pulsed radiation, defocusing occurs due to fluctuations in the output of the light source that emits the pulsed radiation and vibrations of the device, and the semiconductor material is filled. When sufficient heat is not induced, there is a problem that crystallization does not occur, and even if crystallization occurs, crystal grains become small.
  • the area to be exposed by pulsed radiation must be mountain-shaped, or the area to be crystallized must be patterned in advance.
  • the problem is that if the exposed area is mountain-shaped, the crystal will grow only to the extent of the area extending from the peak of the mountain, and if the area to be crystallized is preliminarily patterned, it will be difficult to crystallize the entire substrate. There's a problem.
  • An object of the present invention is to provide a laser processing method and a laser processing apparatus capable of reliably crystallizing an amorphous material used as a semiconductor material and crystallizing an amorphous material into a desired area. It is to be.
  • the present invention provides a laser processing method for crystallization of an amorphous material by irradiating a laser beam to a layer made of an amorphous material forming a substrate or a layer formed of an amorphous material on a substrate.
  • a first region defined on the surface of the layer made of the amorphous material is irradiated with a laser beam to melt the amorphous material in the first region
  • the region to be irradiated with the laser beam is moved by a predetermined distance in a predetermined direction in a predetermined direction, and is newly formed on the surface of the layer made of an amorphous material so as to partially overlap the immediately preceding second region.
  • the present invention is characterized in that the first and second regions are formed in a rectangular shape on the surface of the layer made of the amorphous material.
  • the present invention is characterized in that the first and second regions are formed in a saw-tooth shape on a surface of the layer made of the amorphous material.
  • the present invention is characterized in that the first and second regions are formed in an arch shape on the surface of the layer made of the amorphous material.
  • the invention is characterized in that the first region and the second region intersect. Further, the invention is characterized in that the amorphous material in a molten state in the first and / or second region is irradiated with another laser beam.
  • the present invention provides a laser for crystallizing the amorphous material by irradiating a laser beam to a layer made of an amorphous material forming a substrate or a layer formed of an amorphous material over a substrate.
  • a laser for crystallizing the amorphous material by irradiating a laser beam to a layer made of an amorphous material forming a substrate or a layer formed of an amorphous material over a substrate.
  • a first region can be defined on the surface of the layer made of the amorphous material.
  • a first projection mask provided on the optical path of the laser beam formed therebetween,
  • a laser processing apparatus comprising: two projection masks.
  • the laser light source emits a laser beam to be irradiated into the first region, and a second laser that emits a laser beam to be irradiated into the second region. And a light source.
  • the present invention also includes another laser light source that emits a laser beam to be irradiated on the amorphous material in a molten state in the first and / or second regions,
  • the wavelength of laser light emitted by another laser light source is longer than the wavelength of laser light emitted by the laser light source.
  • FIG. 1 is a system diagram showing a simplified configuration of a laser processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the first and second projection masks 1 provided in the laser processing apparatus 10 shown in FIG.
  • FIG. 7 is a plan view showing the shapes of 7, 18;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a simplified configuration of Sample 21.
  • FIG. 4A to 4C are diagrams showing an outline of a crystallization process by laser beam irradiation on the a-Si film 29.
  • FIG. 4A to 4C are diagrams showing an outline of a crystallization process by laser beam irradiation on the a-Si film 29.
  • FIG. 5 is a plan view showing the shape of another projection mask 33.
  • FIG. 6 is a plan view showing the shapes of the third and fourth projection masks 35, 36 provided in the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • 7A1 to 7E2 show the case where the first region 31 and the second region 32 intersect with each other.
  • FIG. 9 is a diagram showing an outline of a crystallization process by laser beam irradiation on an Si film 29.
  • FIG. 8 is a diagram showing the shapes of the fifth and sixth projection masks 45 and 46 in which the openings 43 and 44 are formed in an arch shape.
  • FIG. 9 is a simplified view of a laser processing apparatus 50 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a simplified view of a laser processing apparatus 50 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a simplified system diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 60 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a system diagram showing a simplified configuration of a laser processing apparatus 1 used in the prior art.
  • FIG. 1 is a simplified system diagram showing a configuration of a laser processing device 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a first and second projections provided in the laser processing device 10 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing the shapes of masks 17 and 18.
  • the laser processing apparatus 10 includes first and second laser light sources 11 and 12 for emitting laser beams, and laser light beams emitted from the first and second laser light sources 11 and 12 on an optical path of the laser beams.
  • the first and second variable attenuators 13 and 14 and the first and second variable focal field lenses 15 and 16 and the first and second variable focal field lenses 15 and 16 are provided.
  • First and second projection masks 17 and 18 for passing the laser beam respectively, an imaging lens 19, and a plurality of mirrors 20 provided to reflect the laser beam and change the optical path;
  • control means 23 for performing the drive control of (2).
  • first and second laser light sources 11 and 12 gas lasers of XeC1 excimer laser having a wavelength of 308 nm are used.
  • Such an excimer laser is realized by, for example, Compex 301 manufactured by Lambda Physic.
  • the first and second variable attenuators 13 and 14 have a function as filters capable of variably setting the transmittance of the laser beam, and the first and second laser light sources 11 and 12 The irradiance of the laser beam emitted from can be adjusted.
  • the first and second variable focus field lenses 15 and 16 are lenses that focus and adjust the laser beam.
  • the first and second projection masks 17 and 18 are made, for example, by patterning a chromium thin film on synthetic quartz.
  • the first and first o- Rectangular first and second openings 25 and 26 are formed in the second projection masks 17 and 18, respectively.
  • the first and second projection masks 17 and 18 are provided on the optical path of the laser beams emitted from the first and second laser light sources 11 and 12, respectively, and the first and second variable-focus viewing lenses 1
  • the first and second regions described later are defined on the surface of the sample 21 by passing the laser beams transmitted through 5, 16 respectively.
  • the imaging lens 19 forms the images of the first and second openings 25 and 26 by the laser beam on the surface of the sample 21.
  • the stage 22 includes a driving unit, and can horizontally and rotationally move the sample 21 to be placed in the X-Y axis direction in a two-dimensional plane.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of sample 21 in a simplified manner.
  • Sample 2 1, S i 0 2 film 28 is laminated on one surface of the transparent substrate 27, an amorphous silicon (a- S i) film 29 is stacked further on the surface of the S i 0 2 film 2 8.
  • the a—Si film 29 is a layer made of an amorphous material.
  • the thickness of the SiO 2 film 28 is 100 nm
  • the thickness of the a_Si film 29 is 50 nm.
  • 5 1_Rei 2 film 28 per cent pre a- S i film 2 9 plasma E emissions Hans de chemical vapor deposition (P ECVD), such as by vapor deposition or sputtering, is laminated to the thickness of the foregoing.
  • P ECVD plasma E emissions Hans de chemical vapor deposition
  • the control means 23 is a processing circuit realized by a microcomputer or the like having a CPU (Central Processing Unit).
  • the first and second laser light sources 11 and 12 and the stage 22 are electrically connected to the control means 23.
  • the first and second laser light sources 11 and 1 are controlled by the control means 23.
  • the oscillation pulse time and period of the laser beam emitted from 2 are controlled, and the drive control of stage 22, that is, the position control of sample 21 placed on stage 22 is performed.
  • the control of the oscillation pulse time and cycle of the laser beam is performed by, for example, tabulating the oscillation pulse time and cycle predetermined for each crystallization processing condition of the sample 21 and controlling, for example, a RAM (Random Access Memory) in which the table is stored. This is realized by providing a control signal based on the table information read from the RAM to the first and second laser light sources 11 and 12 provided in the means 23. Also stay The drive control of the di 22 is performed based on information given to the control means 23 in advance.
  • a RAM Random Access Memory
  • the laser beam emitted from the first laser light source 11 according to the control signal from the control means 23 passes through the first variable attenuator 13 and the irradiance is adjusted, and passes through the first variable focus field lens 15. Then, the light passes through the first opening 25 of the first projection mask 17 and is irradiated onto the a_Si film 29 of the sample 21 by the imaging lens 19. The laser beam emitted from the first laser light source 11 and reaching the a-Si film 29 of the sample 21 passes through the first opening 25 of the first projection mask 17 as described above. By passing through, only the first region, which is rectangularly formed on the a-Si film 29, is irradiated.
  • the laser beam emitted from the second laser light source 12 passes through the second variable attenuator 14, passes through the second variable focus field lens 16, and passes through the second projection mask 18.
  • the light passes through the second opening 26 and is irradiated on the a-Si film 29 of the sample 21 by the imaging lens 19.
  • the laser beam emitted from the second laser light source 12 and reaching the a_Si film 29 of the sample 21 passes through the second opening 26 of the second projection mask 18 as described above.
  • only the inside of the second region defined on the a-Si film 29 in a rectangular shape is irradiated.
  • first and second regions 31 and 32 defined on the a_Si film 29 will be described.
  • the first and second openings 25 and 26 of the first and second projection masks 17 and 18 shown in FIG. 2 are formed so that the length in the short direction is 2 W.
  • a—Si film 29 is imaged on the first aperture 25 to form the a—Si film.
  • the second region 32 defined on the a—Si film 29 by the second opening 26 is shorter than the first region 31. It is set so that the arrangement is shifted by the distance W in the direction.
  • the first and second projection masks 17 and 18 are arranged such that the first region 31 and the second region 32 defined on the a—Si film 29 are arranged as described above. They are provided on the optical paths of the laser beams emitted from the first and second laser light sources 11 and 12, respectively.
  • the aforementioned distance W may be referred to as the offset amount hereinafter.
  • FIG. 1 A laser processing method for irradiating the a-Si film 29, which is an amorphous material, with a laser beam for crystallization will be described below.
  • 4A to 4C are diagrams showing an outline of a crystallization process by laser beam irradiation on the a-Si film 29.
  • FIG. 1 A laser processing method for irradiating the a-Si film 29, which is an amorphous material, with a laser beam for crystallization will be described below.
  • FIG. 1 A laser processing method for irradiating the a-Si film 29, which is an amorphous material, with a laser beam for crystallization
  • FIG. 4A shows that the first region 31 defined on the surface of the a-Si film 29 is irradiated with the laser beam emitted from the first laser light source 11, and the first region 31 is irradiated with the laser beam.
  • This shows a state in which a_Si in the area 31 is melted.
  • the temperature gradient formed in the lateral direction is the temperature gradient formed in the longitudinal direction. Larger than. Therefore, a_Si is crystallized and crystal-grows in the short direction where the temperature gradient is large.
  • the laser beam irradiation area is set to a position shifted by the offset amount W in the lateral direction of the first area 31 with respect to a—Si crystallized in the first area 31.
  • a—Si melted in the second region 32 is solidified and crystallized, the portion in the short direction W overlapping with the first region 31 is melted again, Since the crystallized crystal at the remaining offset W in the first region 31 remains as a seed crystal, crystallization proceeds epitaxially from the seed crystal into the second region 32.
  • FIG. 4C shows a case where a laser beam is irradiated into a first region 31 a defined on the a—Si film 29 by newly moving the sample 21, and a within the first region 31 a is This shows a state where one Si is being melted.
  • the crystals crystallized in the previous second region 32 are seed crystals. From this seed crystal, crystallization proceeds epitaxially.
  • the pattern It is possible to form a crystal region of a desired size in the a—Si film 29 without depending on the conditions.
  • the step of melting and solidifying a-Si in each region to crystallize does not mean that solidification and crystallization of the entire region are completed. That is, the first and second laser light sources 11 and 12, which are excimer lasers, use the property of emitting a laser beam at an extremely short cycle, and solidification is progressing within the region, that is, When a part of the inside is crystallized, the next region may be irradiated with a laser beam.
  • the offset amount is set to be W + SW [(W + 6 W)> W] to increase the crystallization region that can be generated per unit time, that is, increase the throughput and increase the throughput.
  • the first and second regions 31 and 32 are formed by the first and second openings 25 formed in the first and second projection masks 17 and 18, respectively.
  • FIG. 5 is a plan view showing the shape of another projection mask 33.
  • another opening 34 formed in another projection mask 33 has a saw-tooth shape.
  • the area defined on the a-Si film 29 by the projection mask 33 may have a saw-tooth shape.
  • the crystal growth can be promoted by adjusting the protruding direction of the sawtooth to the preferential growth direction when a_Si is crystallized, so that the crystallized crystal in the preceding region is used as a seed crystal, When crystallizing in the next region:-it is possible to actually grow crystals.
  • FIG. 5 is a plan view showing the shape of another projection mask 33.
  • another opening 34 formed in another projection mask 33 has a saw-tooth shape.
  • the area defined on the a-Si film 29 by the projection mask 33 may have a saw-tooth shape.
  • the crystal growth can be promoted by adjusting the protruding direction of the sawtooth to the preferential growth direction when a_Si is crystallized, so that the
  • FIG. 6 is a plan view showing the shape of the third and fourth projection masks 35, 36 provided in the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus according to the present embodiment includes third and fourth projection masks 3 instead of the first and second projection masks 17 and 18 provided in the laser processing apparatus 10 according to the first embodiment.
  • the figures and explanations are omitted because they are identical except for the use of 5, 36.
  • the rectangular third and fourth openings 37, 38 formed in the third and fourth projection masks 35, 36 respectively allow the a_Si film 29 to be formed on the a_Si film 29.
  • the third and fourth projection masks 35, 36 are set so that the first and second laser light sources 11 and 12 emit the laser beams so that the first and second regions defined intersect each other. It is to be provided on each optical path.
  • the third and fourth projection masks 35 and 36 are provided so that the first region and the second region defined on the a-Si film 29 are orthogonal to each other.
  • FIG. 7 is a diagram showing an outline of crystallization processing by laser beam irradiation on the a-Si film 29 when the first region 31 and the second region 32 intersect with each other. is there.
  • Fig. 7A1 shows a first region 31 which is a laser beam irradiation region on the a-Si film 29, and
  • Fig. 7A2 shows a first region 31 irradiated with the laser beam. This shows a state in which a_Si is melted, solidified and crystallized. At this time, since the first region 31 is rectangular, the crystal grains grow in the lateral direction of the first region 31.
  • FIG. 7B1 shows a state where the second region 32 intersects the first region 31.
  • the second area 32 has an intersection with the first area 31 at the position shifted 90 ° angularly in the direction around the axis perpendicular to the plane of FIG. It is determined that In FIG. 7B2, by irradiating the second region 32 with a laser beam, a crystal is formed in the first region 31 on an overlapping portion formed by the intersection of the first region 31 and the second region 32. This shows that large crystal grains 39 grown using the transformed crystal as a seed crystal are formed.
  • FIG. 7C 1 shows that sample 21 is moved by moving stage 22 in the direction of 45 degrees with respect to any of first region 31 and second region 32, by "(2) .W".
  • a new first area 31a is defined at the moved position, and FIG. 7C2 shows a new first area.
  • the large crystal grains 39 formed in the overlapping portion are grown as seed crystals in a new first region 31a, and larger crystal grains 40 are formed.
  • the large crystal grains 40 are grown as seed crystals in the new second region 32a to form a single layer. This shows that large crystal grains become 41.
  • FIG. 7E1 the operation shown in the description of FIG. 7A1 to FIG. 7D1 is repeated, and the first areas 31, 31, 31a, 31b, 31c, 31d, 3
  • the irradiation region of the laser beam formed by sequentially intersecting 1e and the second regions 32, 32a, 32b, 32c, 32d, 32e is shown.
  • FIG. 7E2 shows that a large crystallization region 42 can be formed in the a-Si film 29 by forming the laser beam irradiation region as shown in FIG. 7E1.
  • the crystallization region is sequentially enlarged along the periphery of the region to be crystallized, which is an overlapping region due to the intersection. Can be.
  • the crystallization region is expanded in this way, the movement of the region to be crystallized by irradiation with the laser beam, that is, the movement of the sample 21 to be crystallized, is performed by sequentially moving the stage 22 in one direction. Therefore, the production efficiency of the a_Si crystallization process can be increased.
  • FIG. 8 is a diagram showing the shapes of the fifth and sixth projection masks 45 and 46 in which the openings 43 and 44 are formed in an arch shape. The shapes of the first and second regions defined by crossing over the a_Si film 29 by the fifth and sixth projection masks 45 and 46 as shown in FIG. There may be.
  • the crystal By aligning one of the arched curvature directions of the first and second regions with the preferential growth direction of the crystal, crystal growth is promoted when a-Si is melted and then solidified Therefore, when the crystal crystallized at the intersection of the first region and the second region is used as a seed crystal and the crystal is grown on the periphery of the seed crystal, the crystal can be grown more reliably.
  • FIG. 9 is a simplified system diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 50 according to a third embodiment of the present invention.
  • the laser processing device 50 of the present embodiment is similar to the laser processing device 10 of the first embodiment, and the corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the laser processing apparatus 50 has one light source that emits a laser beam, and has only one variable attenuator that adjusts the irradiance of the laser beam emitted from the light source.
  • the control means 23 controls the timing of emitting the laser beams of the first laser light source 11 and the second laser light source 12. Although the time interval for irradiating the first region 31 and the second region 32 with a laser beam is controlled by this timing control, the laser processing apparatus 50 of the present embodiment having only one light source is used. Defines the optical path difference d in the laser beam reaching the sample 21 from the first laser light source 11 and the time required to irradiate the first area 31 and the second area 32 with the optical path difference d. Control the interval.
  • the optical path length of the laser beam applied to the second region 32 defined on the a-Si film 29 by the projection mask 18 is longer by the optical path difference d. Therefore, in the second region 32, the laser beam arrives with a delay of a time obtained by dividing the optical path difference d by the laser speed as compared with the first region 31.
  • the time interval for irradiating the first region 31 and the second region 32 with a laser beam can be controlled.
  • FIG. 10 is a simplified system diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 60 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Laser processing apparatus 60 of the present embodiment is similar to laser processing apparatus 50 of the third embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. And the description is omitted.
  • the laser processing apparatus 60 another one for emitting a laser beam to be irradiated to a-Si in a molten state in the first and / or second regions 31 and 32 is provided.
  • the wavelength of the laser light emitted from the other laser light source 61 is longer than the wavelength of the laser light emitted from the laser light source 11.
  • an excimer laser capable of emitting laser light having an ultraviolet wavelength of 300 nm is used as the laser light source 11
  • the other laser light source 61 is used as the laser light source 61.
  • a laser source that emits laser light longer than the wavelength of the laser light emitted by the laser light source 11 and that has a wavelength from the visible region to the infrared region, for example, a YAG laser with a wavelength of 532 nm, a wavelength of 1064 nm A YAG laser and a carbon dioxide gas laser with a wavelength of 10.6 ⁇ m are used.
  • the relatively short wavelength laser light emitted from the laser light source 11 is in a solid state rather than a molten state compared to the long wavelength laser light emitted from the other laser light source 61 a—S It has a feature that the absorption rate to the i-film 29 is high. Conversely, laser light of a relatively long wavelength emitted from the other laser light source 61 becomes more molten than solid state compared to laser light of a shorter wavelength emitted from the laser light source 11. There is a feature that the a-Si film 29 has a high absorption rate.
  • the laser beam emitted from the laser light source 11 is perpendicularly incident on the sample 21 having the a-Si film 29, and the first beam having a predetermined pattern is formed.
  • the images of the second projection masks 17 and 18 are irradiated onto the a-Si film 29 so as to be reduced and projected as an irradiation region of a laser beam.
  • the laser beam emitted from the other laser light source 61 is obliquely incident on the sample 21 and passes through both the varifocal field lens and the projection mask. Irradiate sample 21 directly without any loss.
  • the irradiation area of the laser beam emitted from the other laser light source 61 includes the first and second areas 31 and 32, and has a larger area than the first and second areas 31 and 32. It is preferable to be set to have
  • the laser beam By irradiating a laser beam with a long wavelength emitted from another laser light source 61 to the first and Z or second regions 31 and 32 containing a—Si in a molten state, the laser beam is emitted. Energy is efficiently absorbed by the molten a-Si. As described above, the molten a-Si can be heated by the laser beam emitted from the other laser light source 61, and its cooling rate can be reduced, so that larger crystal grains can be grown. .
  • the laser light sources 11 and 12 are excimer lasers, but are not limited thereto, and other gas lasers may be used. May be used.
  • the amorphous material is a-Si, but is not limited thereto, and may be amorphous germanium selenium or the like.
  • the first region overlaps the second region where a predetermined portion overlaps.
  • the amorphous material is melted and solidified by irradiating a laser beam to be crystallized.
  • the crystal formed in the first region is used as a seed crystal, and the crystal grains formed in the first region are inherited. Crystal can be grown. Further, the area to be irradiated with the laser beam is moved by a predetermined distance in a predetermined direction, and the second area immediately before is moved.
  • a new first region is defined so as to partially overlap the region, and the crystallization process by sequentially irradiating the first region and the second region with the laser beam and moving the irradiated region is sequentially repeated.
  • a crystallized region of a desired size can be generated in a layer made of an amorphous material without being restricted by a pattern Jung, etc., and a previously crystallized portion is sequentially crystallized as a seed crystal. Because they can be grown, large crystal grains can be produced.
  • the first and second regions are formed in a rectangular shape on the surface of the layer made of the amorphous material, so that when the amorphous material is melted and solidified, the first and second regions are formed.
  • a larger temperature gradient is formed in the short direction of the region than in the long direction.
  • crystallization and crystal growth occur preferentially in the short direction where the temperature gradient is large, so that the area is larger than when the area is, for example, square and crystallized almost uniformly from four sides. Crystal grains can be generated.
  • the first and second regions are formed in a sawtooth or arch shape on the surface of the layer made of the amorphous material.
  • the crystallized region can be sequentially enlarged along the peripheral portion of the crystallized region, which is a superimposed region due to the intersection.
  • the crystallization region is expanded in this way, the region to be crystallized by the irradiation of the laser beam can be efficiently moved, thereby increasing the production efficiency of the crystallized semiconductor material. Can be.
  • the cooling rate of the amorphous material in the molten state can be reduced. This allows the amorphous material to grow into larger crystal grains during crystallization.
  • the laser beam processing apparatus includes a light emitting a laser beam.
  • a source a first projection mask for defining a first region on a surface of the layer made of an amorphous material, and a second projection mask for defining a second region.
  • the first region is crystallized by irradiating the first region with a laser beam, and then the second region is irradiated with a laser beam to grow the crystal generated in the first region as a seed crystal. Crystal growth can be performed smoothly.
  • the time interval for irradiating the first region and the second region with the laser beam can be freely set. .
  • the optimal timing of laser beam irradiation on the second region can be set, so that the first region is grown on the first region for crystal growth from the seed crystal. The permissible range of a suitable area on which the second area should be superimposed is relaxed.
  • another laser light source that emits a laser beam to be irradiated on the amorphous material in a molten state in the first and / or second regions.
  • the laser light emitted from the laser light source is configured to have a longer wavelength than the laser light emitted from the laser light source.
  • Laser light having a short wavelength is easily absorbed by an amorphous material in a solid state, and laser light having a long wavelength is easily absorbed by an amorphous material in a molten state. Therefore, by irradiating the amorphous material in the molten state with the long wavelength laser light emitted from another laser light source, the energy of the laser light is efficiently reduced to the non-melted state. Absorbed by crystalline materials. In this way, since the cooling rate of the amorphous material in the molten state can be reduced, a laser processing apparatus capable of growing larger crystal grains is realized.

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Abstract

本発明の目的は、半導体材料として用いられる非晶質材料を確実に結晶化させるとともに、所望の広さの領域になるように結晶化させることができることである。　サンプル２１の表層に形成される非晶質材料からなる層の表面に画される第１領域内に対してレーザビームを照射して非晶質材料を溶融凝固させて結晶化し、第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層の表面に画される第２領域を定め、第２領域内に対してレーザビームを照射して第２領域内の非晶質材料を溶融し、その凝固時に第１領域内の結晶を種結晶としてエピタキシャル成長させて結晶化する。非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上におけるレーザビームが照射されるべき第１および第２領域の移動と、レーザビームの照射とを繰返し行う。

Description

明 細 書
レ一ザ加工方法およびレーザ加工装置
【技術分野】
本発明は、 たとえば半導体デバイスなどに半導体材料として用いられる非晶質 材料をレーザビーム照射によって結晶化するレーザ加工方法およびレーザ加工装 置に関する。
【背景技術】
半導体デバイスは、 基板を兼ねて構成される単結晶シリコン （S i ) またはガ ラス基板上に成層される S i薄膜に形成される。 このような半導体デバイスは、 イメージセンサやアクティブマトリックス液晶表示装置などに備えられている。 液晶表示装置 （L C D ： Liquid Crystal Display) に備えられる半導体デバイス は、 透明な基板上にたとえば薄膜トランジスタ （T F T ： Thin Fi lm
Transistor) の規則的なアレイが形成されることによって構成され、 各 T F Tは 画素コントローラとして機能している。
L C Dには、 消費電力が少なくて応答速度が速く、 より明るい、 より解像度の 高いものが求められており、 このような L C Dの性能向上は、 画素コントローラ である T F Tの性能向上、 特にスィツチング特性の向上に依るところが大きい。 T F Tのスィツチング特性は、 トランジスタ中におけるキヤリァである電子の移 動度を向上することによって改善される。 トランジスタ中における電子移動度は、 トランジスタの材料である S iが非晶質であるよりも結晶化されている方が、 高 いことが知られている。 このことから、 汎用 L C Dに多用されている T F Tは非 晶質 S i薄膜に形成されているけれども、 この非晶質 S i に代えて結晶化した S iが用いられようとしている。
S i の多結晶構造体は、 たとえばエキシマレーザから放射されるレーザビーム を非晶質 S iに照射して溶融し、 凝固過程において S i を結晶化させるなどの方 法によって形成される。 しかしながら、 S iを単に溶融凝固させるだけでは、 異 なる大きさで異なる結晶方位を有する多数の小さな結晶粒が無秩序に形成される に過ぎない。 多数の小さな結晶粒が形成されると、 結晶粒同志を画する結晶粒界が多数形成 されるので、 この結晶粒界が、 電子をトラップして電子移動の障壁となり、 結晶 化されたことによる電子移動度の向上効果が充分に発現されない。 また大きさと 方位とが異なる小さな結晶内においては、 電子移動度は結晶毎にそれぞれ異なる ので、 換言すれば異なる動作性能を備える T F Tが多数形成されていることにな り、 T F Tアレイにデバイス特性の不均一が生じる。 したがって、 さらなる L C Dの性能向上のためには、 デバイス特性の均一化された T F Tアレイが形成され る必要があり、 T F Tの特性を均一化するためには、 T F Tを形成する S i の結 晶化領域を広くするとともに、 結晶化される結晶粒の大きさをできる限り大きく することが必要とされる。
このような問題に対応する先行技術の 1つを、 以下に説明する。 図 1 1は、 先 行技術に用いられるレーザ加工装置 1の構成を簡略化して示す系統図である。 レ 一ザ加工装置 1は、 パルス状のレーザビームを放射する光源であるエキシマレー ザ 2と、 エキシマレーザ 2から放射されるレーザビームを反射してその方向を変 化させる複数のミラー 3と、 可変減衰器 4と、 可変焦点視野レンズ 5と、 可変焦 点視野レンズ 5を透過したレーザビームを予め定められたパターンに限定して通 過させる投影マスク 6と、 投影マスク 6を通過したレーザビームをサンプル 8上 に結像させる結像レンズ 7と、 サンプル 8を載置しサンプル 8を移動させること のできるステージ 9とを含んで構成される。
この先行技術では、 図 1 1に示すレーザ加工装置 1を用いて、 以下のようにサ ンプル 8の結晶化処理を行う。 サンプル 8である基板上の半導体材料の膜に横方 向に延在する結晶領域を形成するに当り、 （a ) 半導体材料中に熱を誘導するパ ルス状の放射を用い、 前記膜の第 1の部分を露光してその厚さにわたって第 1の 部分の半導体材料を溶融する工程と、 （b ) 前記第 1の部分の半導体を凝固させ、 前記第 1の部分の境界部分に少なくとも 1個の半導体結晶を形成し、 この第 1の 部分を次の処理に対する以前の部分とする工程と、 （c ) 前記以前の部分からス テップ移動方向にステップ移動すると共に少なくとも 1個の半導体結晶と部分的 に重なり合う半導体の別の部分を露光する工程と、 （d ) 前記別の部分の溶融し た半導体材料を凝固させ、 半導体結晶をステップ移動方向に成長させることによ り半導体結晶を拡大させる工程と、 （e ) 前述の工程 cと工程 dとの組合せを繰 返し、 所望の結晶領域が形成されるまで、 各工程の別の部分を次の工程に対して 以前の部分とする方法である （特許文献 1参照） 。
【特許文献 1】 特表 2 0 0 0— 5 0 5 2 4 1号公報 （第 1 5〜 1 6頁、 第
1図）
前述した先行技術には、 以下のような問題がある。 半導体材料の 1つの部分に 対するパルス状の放射による露光が 1回のみであるので、 パルス状の放射が行わ れる光源の出力変動や装置の振動に起因する焦点ずれが発生し、 半導体材料に充 分な熱が誘導されないとき、 結晶化されないことが生じたり、 結晶化された場合 であっても結晶粒が小さくなるという問題がある。
また、 結晶化される結晶粒を大きくするためには、 パルス状の放射による露光 領域を山形にしたり、 結晶化させるべき領域を予めパターユングしておかなけれ ばならない。 露光領域を山形にすると、 結晶は山形の頂点から広がる範囲の大き さまでしか成長しないという問題があり、 結晶化させるべき領域を予めパター二 ングすると、 基板全体を結晶化することが困難になるという問題がある。
【発明の開示】
本発明の目的は、 半導体材料として用いられる非晶質材料を確実に結晶化させ るとともに、 所望の広さの領域になるように結晶化させることのできるレーザ加 ェ方法およびレーザ加工装置を提供することである。
本発明は、 基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非 晶質材料からなる層にレーザビームを照射することによって、 前記非晶質材料を 結晶化させるレーザ加工方法であって、
前記非晶質材料からなる層の表面に画される第 1領域内に対してレーザビーム を照射して第 1領域内の非晶質材料を溶融し、
溶融した第 1領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
前記非晶質材料からなる層の表面に画され、 前記第 1領域と予め定められる部 分が重畳する第 2領域に対してレーザビームを照射して第 2領域内の非晶質材料 を溶融し、
溶融した第 2領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距 離移動し、 直前の第 2領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層の表 面に画される新たな第 1領域を定め、
前記非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、 非晶質材料 からなる層の表面上におけるレーザビームの照射と、 レーザビームが照射される べき領域の移動とを繰返し行うことを特徴とするレーザ加工方法である。
また本発明は、 前記第 1および第 2領域は、 前記非晶質材料からなる層の表面 に長方形の形状に画されることを特徴とする。
また本発明は、 前記第 1および第 2領域は、 前記非晶質材料からなる層の表面 に鋸歯状の形状に画されることを特徴とする。
また本発明は、 前記第 1および第 2領域は、 前記非晶質材料からなる層の表面 にアーチ状の形状に画されることを特徴とする。
また本発明は、 前記第 1領域と前記第 2領域とは、 交差することを特徴とする。 また本発明は、 前記第 1および,または第 2領域内で溶融状態にある前記非晶 質材料に対して、 もう一つのレーザビームを照射することを特徴とする。
また本発明は、 基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成され る非晶質材料からなる層にレーザビームを照射することによって、 前記非晶質材 料を結晶化させるレーザ加工装置において、
レーザビームを放射する光源と、
前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、 前記非晶質 材料からなる層の表面に第 1領域を画することができるように、 前記光源と前記 非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第 1投影マスクと、
前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、 前記非晶質 材料からなる層の表面に第 2領域を画することができるように、 前記光源と前記 非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第 2投影マスクとを含むことを特徴とするレーザ加工装置である。
また本発明は、 前記レーザ光源は、 前記第 1領域内に照射されるべきレーザビ ームを放射する第 1レーザ光源と、 前記第 2領域内に照射されるべきレーザビー ムを放射する第 2レーザ光源とを含んで構成されることを特徴とする。
また本発明は、 前記第 1および/または第 2領域内で溶融状態にある前記非晶 質材料に対して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源を 含み、
もう一つのレーザ光源が放射するレーザ光の波長が、 前記レーザ光源が放射す るレーザ光の波長よりも長いことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
本発明の目的、 特色、 および利点は、 下記の詳細な説明と図面とからより明確 になるであろう。
図 1は、 本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置 1 0の構成を簡略化して 示す系統図である。
図 2は、 図 1に示すレーザ加工装置 1 0に備わる第 1および第 2投影マスク 1
7 , 1 8の形状を示す平面図である。
図 3は、 サンプル 2 1の構成を簡略化して示す断面図である
図 4 A〜4 Cは、 a— S i膜 2 9上におけるレーザビーム照射による結晶化処 理の概要を示す図である。
図 5は、 もう一つの投影マスク 3 3の形状を示す平面図である。
図 6は、 本発明の実施の第 2の形態であるレーザ加工装置に設けられる第 3お よび第 4投影マスク 3 5， 3 6の形状を示す平面図である。
図 7 A 1〜7 E 2は、 第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とが交差している場合の a
— S i膜 2 9上におけるレーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図であ る。
図 8は、 開口部 4 3， 4 4がアーチ状に形成される第 5および第 6投影マスク 4 5， 4 6の形状を示す図である。
図 9は、 本発明の実施の第 3の形態であるレーザ加工装置 5 0の構成を簡略化 して示す系統図である。
図 1 0は、 本発明の実施の第 4の形態であるレーザ加工装置 6 0の構成を簡略 化して示す系統図である。
図 1 1は、 先行技術に用いられるレーザ加工装置 1の構成を簡略化して示す系 統図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下図面を参考にして本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図 1は本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置 1 0の構成を簡略化して示 す系統図であり、 図 2は図 1に示すレーザ加工装置 1 0に備わる第 1および第 2 投影マスク 1 7， 1 8の形状を示す平面図である。 レーザ加工装置 1 0は、 レー ザビームを放射する第 1および第 2レーザ光源 1 1， 1 2と、 第 1および第 2レ 一ザ光源 1 1， 1 2から放射されるレーザビームの光路上にそれぞれ設けられる 第 1および第 2可変減衰器 1 3， 1 4ならびに第 1および第 2可変焦点視野レン ズ 1 5， 1 6と、 第 1および第 2可変焦点視野レンズ 1 5， 1 6を透過したレー ザビームをそれぞれ通過させる第 1および第 2投影マスク 1 7， 1 8と、 結像レ ンズ 1 9と、 レーザビームを反射して光路を変化させるように設けられる複数の ミラー 2 0と、 レーザビームが照射されて結晶化されるサンプル 2 1と、 サンプ ル 2 1が载置されるステージ 2 2と、 第 1および第 2 レーザ光源 1 1， 1 2の出 力制御おょぴステージ 2 2の駆動制御を行う制御手段 2 3とを含む。
第 1およぴ第 2 レーザ光源 1 1， 1 2には、 ガスレーザである波長が 3 0 8 n mの X e C 1エキシマレーザが用いられる。 このようなエキシマレーザは、 たと えば Lambda Physic社製 Compex 3 0 1によって実現される。 第 1および第 2可変 減衰器 1 3， 1 4は、 レーザビームの透過率を可変に設定することが可能なフィ ルタとしての機能を有し、 第 1および第 2レーザ光源 1 1， 1 2から放射される レーザビームの放射照度を調整することができる。
第 1および第 2可変焦点視野レンズ 1 5， 1 6は、 レーザビームを集光し焦点 調整するレンズである。 第 1および第 2投影マスク 1 7， 1 8は、 たとえば合成 石英にクロム薄膜をパターユングしたものである。 本実施の形態では第 1および 一 o— 第 2投影マスク 1 7, 1 8には、 長方形の第 1および第 2開口部 25， 26がそ れぞれ形成される。
第 1および第 2投影マスク 1 7， 1 8は、 第 1および第 2レーザ光源 1 1， 1 2から放射されるレーザビームの光路上に設けられ、 第 1および第 2可変焦点視 野レンズ 1 5， 1 6を透過したレーザビームをそれぞれ通過させることによって、 サンプル 2 1の表面に後述する第 1およぴ第 2領域を画する。
結像レンズ 1 9は、 レーザビームによる第 1および第 2開口部 25， 26の像 をサンプル 2 1の表面に結像させる。 ステージ 22は、 駆動手段を備え、 載置さ れるサンプル 2 1を 2次元平面内において X— Y軸方向への水平移動および回転 移動させることができる。
図 3は、 サンプル 2 1の構成を簡略化して示す断面図である。 サンプル 2 1は、 透明基板 27の一方の表面に S i 02膜 28が積層され、 さらに S i 02膜 2 8 の表面にアモルファスシリ コン （a— S i ) 膜 29が積層される。 ここで a— S i膜 29が非晶質材料からなる層である。 本実施の形態では、 S i 02膜 28の 厚みは 1 00 nm、 a _ S i膜 2 9の厚みは 50 nmである。 5 1〇2膜28ぉ よび a— S i膜 2 9は、 プラズマェンハンスド化学気相堆積 （P ECVD) 、 蒸 着またはスパッタリングなどによって、 前述の厚みに積層される。
制御手段 23は、 C PU (Central Processing Unit) を備えるマイクロコン ピュータなどによって実現される処理回路である。 制御手段 23には、 第 1およ び第 2レーザ光源 1 1， 1 2ならびにステージ 2 2が電気的に接続され、 制御手 段 23によって、 第 1およぴ第 2レーザ光源 1 1， 1 2から放射されるレーザビ ームの発振パルス時間および周期が制御されるとともに、 ステージ 22の駆動制 御すなわちステージ 22上に载置されるサンプル 2 1の位置制御が行われる。
レーザビームの発振パルス時間および周期の制御は、 たとえばサンプル 2 1の 結晶化処理条件毎に予め定められる発振パルス時間および周期をテーブル化し、 そのテーブルがストァされたたとえば RAM (Random Access Memory) を制御手 段 23に設け、 RAMから読出される前記テーブル情報に基づく制御信号を第 1 および第 2レーザ光源 1 1， 1 2に与えることによって実現される。 またステー ジ 2 2の駆動制御は、 予め制御手段 2 3に与えられる情報に基づく N C
(Numerical Control) 制御によってもよく、 またサンプル 2 1の位置を検出す る位置センサを設け、 位置センサからの検出出力に応答する制御によってもよい。 制御手段 2 3からの制御信号に従って第 1 レーザ光源 1 1から放射されるレー ザビームは、 第 1可変減衰器 1 3を通過して放射照度が調整され、 第 1可変焦点 視野レンズ 1 5を透過し、 第 1投影マスク 1 7の第 1開口部 2 5を通過し、 結像 レンズ 1 9によってサンプル 2 1の a _ S i膜 2 9上に照射される。 この第 1 レ 一ザ光源 1 1から放射され、 サンプル 2 1の a— S i膜 2 9上に達するレーザビ ームは、 前述のように第 1投影マスク 1 7の第 1開口部 2 5を通過することによ つて、 a— S i膜 2 9上に長方形に画される第 1領域内のみを照射する。
前述と同様にして第 2 レーザ光源 1 2から放射されるレーザビームは、 第 2可 変減衰器 1 4を通過し、 第 2可変焦点視野レンズ 1 6を透過し、 第 2投影マスク 1 8の第 2開口部 2 6を通過し、 結像レンズ 1 9によってサンプル 2 1の a— S i膜 2 9上に照射される。 この第 2 レーザ光源 1 2から放射され、 サンプル 2 1 の a _ S i膜 2 9上に達するレーザビームは、 前述のように第 2投影マスク 1 8 の第 2開口部 2 6を通過することによって、 a— S i膜 2 9上に長方形に画され る第 2領域内のみを照射する。
再び図 2に戻り、 a _ S i膜 2 9上に画される第 1および第 2領域 3 1， 3 2 について説明する。 図 2に示す第 1および第 2投影マスク 1 7， 1 8の第1ぉょ び第 2開口部 2 5， 2 6は、 その短手方向の長さが 2 Wになるように形成される c 図 2に示すままの倍率で第 1および第 2開口部 2 5， 2 6力 a— S i膜 2 9 上に結像される状態で、 第 1開口部 2 5によって a— S i膜 2 9上に画される第 1領域 3 1に対して、 第 2開口部 2 6によって a— S i膜 2 9上に画される第 2 領域 3 2は、 第 1領域 3 1の短手方向に距離 Wをずれた配置になるように設定さ れる。 すなわち第 1および第 2投影マスク 1 7， 1 8は、 a— S i膜 2 9上に画 される第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とが前述のような配置になるように、 第 1お よび第 2レーザ光源 1 1， 1 2から放射されるレーザビームの光路上にそれぞれ 設けられる。 前述の距離 Wを、 以後オフセッ ト量と呼ぶことがある。 なお結像レンズ 1 9によって a—S i膜 2 9上に結ばれる第 1および第 2開口 部 2 5， 2 6の像の原寸法に対する縮小倍率が nで表されるとき、 第 1および第 2領域 3 1， 3 2の短手方向の長さは 2 W X n、 第 1領域 3 1に対する第 2領域 3 2のオフセット量は W X nで与えられる。
以下に非晶質材料である a— S i膜 2 9にレーザビームを照射して結晶化する レーザ加工方法について説明する。 図 4 A〜4 Cは、 a— S i膜 2 9上における レーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図である。
図 4 Aには、 a— S i膜 2 9の表面に画される第 1領域 3 1内に、 第 1 レーザ 光源 1 1から放射されるレーザビームを照射し、 レーザビームの照射によって第 1領域 3 1内の a _ S iを溶融している状態を示す。 本実施の形態では、 第 1領 域 3 1は長方形の形状に画されるので、 a—S iが溶融凝固する際、 短手方向に 形成される温度勾配は長手方向に形成される温度勾配よりも大きくなる。 したが つて、 a _ S iは、 温度勾配が大きな短手方向に結晶化および結晶成長する。 図 4 Bには、 第 1領域 3 1内において結晶化された a — S iに対して、 レーザ ビームの照射領域を第 1領域 3 1の短手方向にオフセット量 Wだけずれた位置に 定められる第 2領域 3 2内にレーザビームを照射し、 第 2領域 3 2内の a— S i を溶融している状態を示す。 第 2領域 3 2内において溶融された a— S iが凝固 して結晶化するに際しては、 先の第 1領域 3 1と重畳する短手方向 Wの部分につ いては再度溶融されるけれども、 先の第 1領域 3 1内の残りのオフセット Wの部 分において結晶化された結晶が種結晶として残るので、 この種結晶から第 2領域 3 2内へェピタキシャルに結晶化が進行する。
次に、 第 1投影マスクによって a— S i膜 2 9上に画される第 1領域 3 1 aが、 先の第 2領域 3 2からさらにオフセット量 Wだけ短手方向にずれた位置になるよ うに、 制御手段 2 3によってステージ 2 2を移動、 すなわちサンプル 2 1を移動 する。 図 4 Cは、 サンプル 2 1を移動させることによって新たに a— S i膜 2 9 上に画される第 1領域 3 1 a内にレーザビームを照射し、 第 1領域 3 1 a内の a 一 S iを溶融している状態を示す。 先の第 2領域 3 2におけるのと同様に、 新た な第 1領域 3 1 aでは、 先の第 2領域 3 2内において結晶化された結晶が種結晶 となり、 この種結晶からェピタキシャルに結晶化が進行する。
このように、 a _ S i膜 2 9上に画される領域内に対するレーザビームの照射 と、 レーザビームが照射されるべき領域の移動すなわちサンプル 2 1の移動とを 繰返し行うことによって、 パターユング等に依ることなく、 a— S i膜 2 9に所 望の大きさの結晶領域を作成することが可能になる。
なお、 各領域内において a— S iを溶融後凝固させて結晶化するステップにお いては、 領域内全体の凝固および結晶化が完了することを意味しない。 すなわち、 エキシマレーザである第 1およぴ第 2 レーザ光源 1 1 ， 1 2は、 極めて短い周期 でレーザビームを放射することができる特性を利用し、 領域内において凝固が進 行中、 すなわち領域内の一部が結晶化された段階において、 次の領域に対するレ 一ザビーム照射が実行されてもよい。
このように、 第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とに対するレーザビーム照射の時間 間隔を、 ほぼ同時とも言える短い間に実行するときには、 オフセット量を前記 W よりも大きい W+ S W [ (W+ 6 W) > W] に設定し、 単位時間あたりに生成す ることのできる結晶化領域を大きく し、 すなわち処理量を増してスループットを 上げることができる。 また前記オフセット量 Wは、 種結晶を利用した結晶成長を させなければならないので、 その設定精度はミク口ンオーダーであるけれども、 レーザビーム照射の時間間隔を短くすることによって、 設定精度が緩和される。 本実施の形態では、 前述のように第 1および第 2領域 3 1 ， 3 2は、 第 1およ び第 2投影マスク 1 7， 1 8に形成される第 1および第 2開口部 2 5 ， 2 6によ つて長方形に画されるけれども、 これに限定されるものではない。 図 5は、 もう —つの投影マスク 3 3の形状を示す平面図である。 図 5に示されるように、 もう 一つの投影マスク 3 3に形成されるもう一つの開口部 3 4は、 鋸歯状である。 こ のように投影マスク 3 3によって a— S i膜 2 9上に画される領域は、 鋸歯状で あってもよい。 鋸歯の突出方向を、 a _ S iが結晶化する際の優先成長方向に合 わせることによって、 結晶成長を促進することができるので、 先の領域において 結晶化された結晶を種結晶とし、 次の領域において結晶化処理するとき、 - 実に結晶成長させることが可能になる。 図 6は、 本発明の実施の第 2の形態であるレーザ加工装置に設けられる第 3お ょぴ第 4投影マスク 3 5， 3 6の形状を示す平面図である。 本実施の形態のレー ザ加工装置は、 実施の第 1形態のレーザ加工装置 1 0に設けられる第 1および第 2投影マスク 1 7， 1 8に代えて第 3およぴ第 4投影マスク 3 5， 3 6が用いら れることを除いて同一に構成されるので図および説明を省略する。
注目すべきは、 第 3およぴ第 4投影マスク 3 5， 3 6にそれぞれ形成される長 方形の第 3および第 4開口部 3 7， 3 8によって、 a _ S i膜 2 9上に画される 第 1領域と第 2領域とが交差するように、 第 3および第 4投影マスク 3 5， 3 6 が、 第 1および第 2レーザ光源 1 1， 1 2から放射されるレーザビームの光路上 にそれぞれ設けられることである。 本実施の形態では、 a— S i膜 2 9上に画さ れる第 1領域と第 2領域とが直交するように、 第 3および第 4投影マスク 3 5 , 3 6が設けられる。
図 7 A 1〜E 2は、 第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とが交差している場合の a - S i膜 2 9上におけるレーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図である。 図 7 A 1には、 a— S i膜 2 9上におけるレーザビームの照射領域である第 1 領域 3 1を示し、 図 7 A 2には、 第 1領域 3 1にレーザビームを照射して a _ S iを溶融し、 さらに凝固させて結晶化した状態を示す。 このとき第 1領域 3 1は, 長方形であるので、 結晶粒は第 1領域 3 1の短手方向に成長する。
図 7 B 1には、 第 1領域 3 1に対して第 2領域 3 2が交差する状態を示す。 す なわち第 2領域 3 2は、 第 1領域 3 1に対して図 7 A 1〜7 E 2の紙面に垂直な 軸線まわり方向に 9 0度角変位移動した位置に交差部を重畳部とするように定め られる。 図 7 B 2には、 第 2領域 3 2にレーザビームを照射することによって、 第 1領域 3 1と第 2領域 3 2との交差により形成される重畳部に、 第 1領域 3 1 において結晶化した結晶を種結晶として成長した大きな結晶粒 3 9が形成される ことを示す。
図 7 C 1には、 ステージ 2 2の移動によってサンプル 2 1を、 第 1領域 3 1お ょぴ第 2領域 3 2のいずれに対しても 4 5度の方向に " ( 2 ) . Wだけ移動させ た位置に画される新たな第 1領域 3 1 aを示し、 図 7 C 2には、 新たな第 1領域 3 1 aにレーザビームを照射することによって、 前記重畳部に形成された大きな 結晶粒 3 9を種結晶として新たな第 1領域 3 1 a内へ結晶成長し、 さらに大きな 結晶粒 40が形成されることを示す。
図 7 D 1には、 前述のサンプル 2 1の移動によって a - S i膜 2 9上に新たに 画される第 2領域 3 2 aが、 新たな第 1領域 3 1 aに対して交差する状態を示す。 図 7 D 2には、 新たな第 2領域 3 2 aにレーザビームを照射することによって、 前記大きな結晶粒 4 0を種結晶として新たな第 2領域 3 2 a内へ結晶成長し、 一 層大きな結晶粒 4 1となることを示す。
図 7 E 1には、 前述の図 7 A 1〜図 7 D 1の説明に示す動作を繰返して、 第 1 領域 3 1， 3 1 a， 3 1 b， 3 1 c， 3 1 d , 3 1 eと、 第 2領域 3 2， 3 2 a , 3 2 b , 3 2 c , 3 2 d , 3 2 eとをそれぞれ順次交差させて形成されるレーザ ビームの照射領域を示す。 図 7 E 2には、 図 7 E 1に示すようなレーザビームの' 照射領域の形成によって、 a— S i膜 2 9に大きな結晶化領域 4 2が形成され得 ることを示す。
このように第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とを交差させることによって、 交差に よる重畳領域であって結晶化される領域の周縁部に沿って、 順次結晶化領域を拡 大することができる。 このようにして結晶化領域を拡大するとき、 レーザビーム が照射されて結晶化されるべき領域の移動、 すなわち結晶化されるべきサンプル 2 1の移動を、 ステージ 2 2を順次一方向に移動するという効率的な方法で実現 できるので、 a _ S iの結晶化処理の生産効率を高めることができる。
a— S i膜 2 9上に形成される第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とを交差させるよ うに設けられる投影マスクに形成される開口部の形状は、 前述のような長方形に 限定されるものではない。 図 8は、 開口部 4 3， 44がアーチ状に形成される第 5および第 6投影マスク 4 5， 4 6の形状を示す図である。 図 8に示すような第 5および第 6投影マスク 4 5， 4 6によって、 a _ S i膜 2 9上に交差して画さ れる第 1およぴ第 2領域の形状は、 アーチ形であってもよい。
第 1および第 2領域のアーチ状の湾曲方向のいずれかを結晶の優先成長方向に 合わせることによって、 a— S iが溶融した後凝固する際の結晶成長を促進する ことができるので、 第 1領域と第 2領域との交差部において結晶化された結晶を 種結晶とし、 種結晶の周縁部に結晶成長させるとき、 一層確実に結晶成長させる ことが可能になる。
図 9は、 本発明の実施の第 3の形態であるレーザ加工装置 5 0の構成を簡略化 して示す系統図である。 本実施の形態のレーザ加工装置 5 0は、 実施の第 1形態 のレーザ加工装置 1 0に類似し、 対応する部分については同一の参照符号を付し て説明を省略する。
レーザ加工装置 5 0において注目すべきは、 レーザビームを放射する光源が 1 つであり、 また光源から放射されるレーザビームの放射照度を調整する可変減衰 器も 1つのみが備わることである。 前述の光源を 2つ備える実施の第 1形態のレ 一ザ加工装置 1 0では、 制御手段 2 3によって第 1 レーザ光源 1 1と第 2 レーザ 光源 1 2とのレーザビームを放射するタイミングを制御し、 このタイミング制御 によって第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とにレーザビームを照射する時間間隔を制 御するけれども、 光源を 1つしか備えない本実施の形態のレーザ加工装置 5 0で は、 第 1 レーザ光源 1 1からサンプル 2 1に達するレーザビームに光路差 dを形 成し、 この光路差 dによって第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とにレーザビームを照 射する時間間隔を制御する。
図 9に示すように、 第 1投影マスク 1 7によってサンプル 2 1の a— S i膜 2 9上に画される第 1領域 3 1に照射されるレーザビームの光路長さに比べて、 第 2投影マスク 1 8によって a— S i膜 2 9上に画される第 2領域 3 2に照射され るレーザビームの光路長さは、 前述の光路差 dだけ長い。 したがって、 第 2領域 3 2では、 第 1領域 3 1に比べて光路差 dをレーザの速度で除した時間だけ遅延 してレーザビームが到達することになるので、 光源が 1つであっても第 1領域 3 1と第 2領域 3 2とに、 レーザビームを照射する時間間隔を制御することができ る。
図 1 0は、 本発明の実施の第 4の形態であるレーザ加工装置 6 0の構成を簡略 化して示す系統図である。 本実施の形態のレーザ加工装置 6 0は、 実施の第 3形 態のレーザ加工装置 5 0に類似し、 対応する部分については同一の参照符号を付 して説明を省略する。
レーザ加工装置 6 0において注目すべきは、 第 1および/または第 2領域 3 1， 3 2内で溶融状態にある a— S iに対して照射されるべきレーザビームを放射す るもう一つのレーザ光源 6 1を含み、 もう一つのレーザ光源 6 1の放射するレー ザ光の波長が、 レーザ光源 1 1の放射するレーザ光の波長よりも長いことである。 本実施の形態では、 レーザ光源 1 1には、 紫外域の波長 3 0 8 n mを有するレ 一ザ光を放射することのできるエキシマレーザが用いられ、 もう一つのレーザ光 源 6 1には、 レーザ光源 1 1が放射するレーザ光の波長よりも長く、 可視域から 赤外域の波長を有するレーザ光を放射することのできるもの、 たとえば波長 5 3 2 n mの Y A Gレーザ、 波長 1 0 6 4 n mの Y A Gレーザ、 波長 1 0 . 6 μ の 炭酸ガスレーザなどが用いられる。
レーザ光源 1 1から放射される比較的波長の短いレーザ光は、 もう一つのレー ザ光源 6 1から放射される波長の長いレーザ光に比較して、 溶融状態よりも固体 状態にある a— S i膜 2 9への吸収率が高い特徴を有する。 逆に、 もう一つのレ 一ザ光源 6 1から放射される比較的波長の長いレーザ光は、 レーザ光源 1 1から 放射される波長の短いレーザ光に比較して、 固体状態よりも溶融状態にある a— S i膜 2 9への吸収率が高い特徴を有する。
レーザ光源 1 1から放射されるレーザビームは、 1回の照射あたり、 固体状態 にある a— S i膜 2 9を溶融させるに足るエネルギ量 （=エネルギ量/照射面 積） を有するように、 またもう一つのレーザ光源 6 1から放射されるレーザビー ムは、 1回の照射あたり、 固体状態にある a— S i膜 2 9を溶融させるに足るェ ネルギ量 （=エネルギ量/照射面積） 以下に設定されることが望ましい。
レーザ加工装置 6 0においては、 レーザ光源 1 1から放射されるレーザビーム は、 a— S i膜 2 9を有するサンプル 2 1に対して垂直に入射され、 所定のパタ ーンを形成した第 1または第 2投影マスク 1 7 , 1 8の像を a— S i膜 2 9上に- レーザビームの照射領域として縮小投影するように照射される。
一方、 もう一つのレーザ光源 6 1から放射されるレーザビームは、 サンプル 2 1に対して斜めに入射され、 可変焦点視野レンズおよび投影マスクのいずれも通 過することなく、 直接サンプル 2 1に照射される。 もう一つのレーザ光源 6 1か ら放射されるレーザビームの照射領域は、 第 1および第 2領域 3 1， 3 2を包含 し、 さらに第 1および第 2領域 3 1， 3 2よりも広い面積を有するように設定さ れることが好ましい。
もう一つのレーザ光源 6 1から放射される波長の長いレーザビームを、 溶融状 態にある a— S iを含む第 1および Zまたは第 2領域 3 1， 3 2に照射すること によって、 レーザ光のエネルギが、 効率的に溶融状態の a— S iに吸収される。 このようにもう一つのレーザ光源 6 1から放射されるレーザビームで溶融状態に ある a— S iを加熱し、 その冷却速度を遅くすることができるので、 一層大きな 結晶粒に成長させることができる。
以上に述べたように、 本実施の形態では、 レーザ光源 1 1， 1 2は、 エキシマ レーザであるけれども、 これに限定されることなく、 他のガスレーザが用いられ てもよく、 また固体レーザが用いられてもよい。 また非晶質材料は、 a— S iで あるけれども、 これに限定されることなく、 非晶質のゲルマエゥムゃセレンなど であってもよい。
本発明は、 その精神または主要な特徴から逸脱することなく、 他のいろいろな 形態で実施できる。 従って、 前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、 本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、 明細書本文には何ら拘束さ れない。 さらに、 特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のも のである。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、 第 1領域内に対してレーザビームを照射して非晶質材料を溶 融凝固させて結晶化した後、 第 1領域と予め定められる部分が重畳する第 2領域 に対してレーザビームを照射して非晶質材料を溶融凝固させて結晶化する。 この ように第 2領域の非晶質材料は、 レーザビームの照射によって溶融凝固するとき、 第 1領域に形成された結晶を種結晶として、 第 1領域に形成された結晶粒を引継 いでェピタキシャルに結晶成長することができる。 さらにレーザビームが照射さ れるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、 直前の第 2領 域と部分的に重畳するように新たな第 1領域を定め、 第 1領域と第 2領域とに対 するレーザビームの照射と、 照射領域の移動とによる結晶化処理を順次繰返すこ とによって、 パターユング等による制約を受けることなく、 非晶質材料からなる 層に所望の大きさの結晶化領域を生成することが可能になるとともに、 以前に結 晶化された部位を種結晶として順次結晶成長させることができるので、 大きな結 晶粒を生成することが可能になる。
また本発明によれば、 第 1および第 2領域は、 非晶質材料からなる層の表面に 長方形の形状に画されるので、 非晶質材料が溶融凝固する際、 第 1および第 2領 域の短手方向には、 長手方向よりも大きな温度勾配が形成される。 このことによ つて、 温度勾配が大きな短手方向に優先的に結晶化および結晶成長が起こるので、 領域がたとえば正方形に画されて 4方からほぼ均一に結晶化される場合に比べて、 大きな結晶粒を生成させることができる。
また本発明によれば、 第 1および第 2領域は、 前記非晶質材料からなる層の表 面に鋸歯状またはアーチ状の形状に画される。 第 1および第 2領域の鋸歯の突出 方向およびアーチ状の湾曲方向を結晶の優先成長方向に合わせることによって、 非晶質材料が溶融した後凝固する際の結晶成長を促進することができるので、 第 1領域において結晶化された結晶を種結晶とし、 第 2領域において結晶化処理す るとき、 一層確実に結晶成長させることが可能になる。
また本発明によれば、 第 1領域と第 2領域とは交差するので、 交差による重畳 領域であって結晶化された領域の周縁部に沿って、 順次結晶化領域を拡大するこ とができる。 このようにして結晶化領域を拡大するとき、 レーザビームが照射さ れて結晶化されるべき領域の移動を効率よく実施することができるので、 結晶化 処理された半導体材料の生産効率を高めることができる。
また本発明によれば、 溶融状態にある非晶質材料に対して、 もう一つのレーザ ビームを照射するので、 溶融状態の非晶質材料の冷却速度を遅くすることができ る。 このことによって、 非晶質材料の結晶化に際し、 より大きな結晶粒に成長さ せることができる。
また本発明によれば、 レーザビーム加工装置には、 レーザビームを放射する光 源と、 非晶質材料からなる層の表面に第 1領域を画するための第 1投影マスクと、 第 2領域を画するための第 2投影マスクとが設けられる。 このことによって、 第 1領域にレーザビームを照射して結晶化し、 次いで第 2領域にレーザビームを照 射して第 1領域に生成された結晶を種結晶として結晶成長させるという結晶化処 理および結晶成長を円滑に行うことが可能になる。
また本発明によれば、 第 1レーザ光源と第 2レーザ光源との 2つの光源を備え るので、 第 1領域と第 2領域とにレーザビームを照射する時間間隔を自在に設定 することができる。 このことによって、 第 1領域において結晶化された結晶を種 結晶とし、 種結晶から結晶成長させるのに最適なタイミングで第 2領域にレーザ ビームを照射することが可能になるので、 大きな結晶粒を生成することができる。 また前述のように第 1領域に対するレーザビームの照射後、 第 2領域に対するレ 一ザビーム照射の最適なタイミングを設定することができるので、 種結晶から結 晶成長させるために第 1領域に対して第 2領域を重畳させるべき好適な領域の許 容範囲が緩和される。
また本発明によれば、 第 1および/または第 2領域内で溶融状態にある非晶質 材料に対して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源が備 えられ、 もう一つのレーザ光源が放射するレーザ光の波長が、 前記レーザ光源が 放射するレーザ光の波長よりも長いように構成される。 波長の短いレーザ光は、 固体状態の非晶質材料に吸収されやすく、 波長の長いレーザ光は、 溶融状態の非 晶質材料に吸収されやすい。 したがって、 もう一つのレーザ光源から放射される 波長の長いレーザ光を、 溶融状態にある非晶質材料に対して照射することによつ て、 レーザ光のエネルギが、 効率的に溶融状態の非晶質材料に吸収される。 この ようにして、 溶融状態にある非晶質材料の冷却速度を遅くすることができるので、 一層大きな結晶粒に成長させることのできるレーザ加工装置が実現される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材 料からなる層にレーザビームを照射することによって、 前記非晶質材料を結晶化 させるレーザ加工方法であって、
前記非晶質材料からなる層の表面に画される第 1領域内に対してレーザビーム を照射して第 1領域内の非晶質材料を溶融し、
溶融した第 1領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
前記非晶質材料からなる層の表面に画され、 前記第 1領域と予め定められる部 分が重畳する第 2領域に対してレーザビームを照射して第 2領域内の非晶質材料 を溶融し、
溶融した第 2,領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距 離移動し、 直前の第 2領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層の表 面に画される新たな第 1領域を定め、
前記非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、 非晶質材料 からなる層の表面上におけるレーザビームの照射と、 レーザビームが照射される べき領域の移動とを繰返し行うことを特徴とするレーザ加工方法。
2 . 前記第 1および第 2領域は、
前記非晶質材料からなる層の表面に長方形の形状に画されることを特徴とする 請求項 1記載のレーザ加工方法。
3 . 前記第 1および第 2領域は、
前記非晶質材料からなる層の表面に鋸歯状の形状に画されることを特徴とする 請求項 1記載のレーザ加工方法。
4 . 前記第 1および第 2領域は、
前記非晶質材料からなる層の表面にアーチ状の形状に画されることを特徴とす る請求項 1記載のレーザ加工方法。
5 . 前記第 1領域と前記第 2領域とは、
交差することを特徴とする請求項 1〜4のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6 . 前記第 1および Zまたは第 2領域内で溶融状態にある前記非晶質材料に対 して、 もう一つのレーザビームを照射することを特徴とする請求項 1〜 5のいず れかに記載のレーザ加工方法。
7 . 基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材 料からなる層にレーザビームを照射することによって、 前記非晶質材料を結晶化 させるレーザ加工装置において、
レーザビームを放射するレーザ光源と、
前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、 前記非晶質 材料からなる層の表面に第 1領域を画することができるように、 前記光源と前記 非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第 1投影マスクと、
前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、 前記非晶質 材料からなる層の表面に第 2領域を画することができるように、 前記光源と前記 非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第 2投影マスクとを含むことを特徴とするレーザ加工装置。
8 . 前記レーザ光源は、
前記第 1領域内に照射されるべきレーザビームを放射する第 1 レーザ光源と、 前記第 2領域内に照射されるべきレーザビームを放射する第 2 レーザ光源とを 含んで構成されることを特徴とする請求項 7記載のレーザ加工装置。
9 . 前記第 1および Zまたは第 2領域内で溶融状態にある前記非晶質材料に対 して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源を含み、 もう一つのレーザ光源が放射するレーザ光の波長が、 前記レーザ光源が放射す るレーザ光の波長よりも長いことを特徴とする請求項 7または 8記載のレーザ加
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