JP2003218027A

JP2003218027A - 結晶成長方法及びレーザアニール装置

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Publication number: JP2003218027A
Application number: JP2002010478A
Authority: JP
Inventors: Shiro Hamada; 史郎浜田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP3847172B2

Abstract

(57)【要約】【課題】一つのレーザ光源を用いて、種結晶の形成と
成長とを行うことが可能な結晶成長方法を提供する。【解決手段】Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチを
オン状態からオフ状態に変化させた時に出力されるパル
スレーザビームを、アモルファス状態の対象部材に入射
させ、照射された部分を結晶化させて種結晶を形成す
る。Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオフ状態に
した状態で出力される連続波レーザビームを、対象部材
の、種結晶の形成された位置に入射させ、連続波レーザ
ビームの入射位置を、種結晶から遠ざかる方向に移動さ
せることにより種結晶を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶成長方法及び
レーザアニール装置に関し、特にアモルファス状態の対
象部材にレーザビームを照射して結晶化させる結晶成長
方法及びそれに用いられるレーザアニール装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に形成されたアモルファス
シリコン膜に、ＸｅＣｌ等のエキシマレーザを照射し
て、多結晶化させる技術が知られている。エキシマレー
ザを用いることにより、高ピークパワーかつ大出力のパ
ルスレーザビームを得ることができる。この高ピークパ
ワーのパルスレーザビームをアモルファスシリコン膜上
に集光させることにより、集光位置のアモルファスシリ
コン膜が溶融し、固化することにより、種結晶が形成さ
れる。集光位置を移動させることによって、種結晶を成
長させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】エキシマレーザ発振器
から出力されるレーザビームはパルス状であるため、得
られる種結晶の大きさが高々１μｍ程度である。このた
め、エキシマレーザ照射によって多結晶化されたシリコ
ンの電子移動度は、単結晶シリコンの電子移動度よりも
小さい。

【０００４】また、レーザ媒質としてガスを用いるエキ
シマレーザは、固体レーザに比べて出力が不安定であ
る。パルスエネルギのばらつきの標準偏差が約１％程度
であり、均一度の高い多結晶シリコン膜を作製すること
が困難である。

【０００５】一方、アモルファスシリコン膜中に種結晶
を形成しておき、連続波レーザビーム（ＣＷレーザビー
ム）を照射しながらレーザビームの入射位置を移動させ
ることにより、種結晶を成長させることもできる。この
方法により、結晶粒径が１０μｍ程度の多結晶シリコン
膜を作製することができるとの報告がある。この方法で
は、アモルファスシリコン膜に、予め種結晶を形成して
おく必要がある。

【０００６】本発明の目的は、一つのレーザ光源を用い
て、種結晶の形成と成長とを行うことが可能な結晶成長
方法を提供することである。

【０００７】本発明の他の目的は、上記結晶成長方法に
適用することが可能なレーザアニール装置を提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、（ａ）Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオン
状態からオフ状態に変化させた時に出力されるパルスレ
ーザビームを、アモルファス状態の対象部材に入射さ
せ、照射された部分を結晶化させて種結晶を形成する工
程と、（ｂ）前記Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチ
をオフ状態にした状態で出力される連続波レーザビーム
を、前記対象部材の、前記種結晶の形成された位置に入
射させ、該連続波レーザビームの入射位置を、前記種結
晶から遠ざかる方向に移動させることにより前記種結晶
を成長させる工程とを有する結晶成長方法が提供され
る。

【０００９】Ｑスイッチレーザ発振器から出力されるパ
ルスレーザビームは、高いピークパワーを有するため、
アモルファス材料を溶融させ、大きな種結晶を形成する
ことができる。連続波レーザビームのパワーは、パルス
レーザビームのピークパワーに比べて小さいが、すでに
種結晶が形成されているため、種結晶を成長させること
ができる。

【００１０】本発明の他の観点によると、Ｑスイッチを
オン状態からオフ状態に切り換えたときにパルスレーザ
ビームを出力し、該Ｑスイッチをオン状態に維持してお
くと、該パルスレーザビームのピークパワーよりも低い
パワーの連続波レーザビームを出力するＱスイッチレー
ザ発振器と、対象部材を保持するステージと、前記Ｑス
イッチレーザ発振器から出力されたレーザビームの断面
形状が、前記ステージに保持された対象部材の表面にお
いて線状になるように整形する整形光学系と、前記Ｑス
イッチレーザ発振器から出力されたレーザビームを、前
記ステージに保持された対象部材の表面上に、スポット
状に集光させる集光光学系と、前記Ｑスイッチレーザ発
振器からパルスレーザビームが出力されるときに、該パ
ルスレーザビームを、前記集光光学系を経由して対象部
材上に入射させ、前記Ｑスイッチレーザ発振器から連続
波レーザビームが出力されるときに、該連続波レーザビ
ームを、前記整形光学系を経由して対象部材上に入射さ
せる切換手段と、前記整形光学系及び前記集光光学系を
経由したレーザビームの、前記テーブルに保持された対
象部材の表面への入射位置を移動させる移動機構とを有
するレーザアニール装置が提供される。

【００１１】高いピークパワーを有するパルスレーザビ
ームを、アモルファス材料の表面に集光させることによ
り、アモルファス材料を溶融させ、結晶化させることが
できる。低いパワーの連続波レーザビームを用いて、種
結晶を成長させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の実施例によるレ
ーザアニール装置の概略図を示す。Ｑスイッチレーザ発
振器１２が、レーザビームを出射する。Ｑスイッチレー
ザ発振器１２は、全反射ミラー１２ａ、部分透過ミラー
１２ｂ、レーザ媒質１２ｃ、Ｑスイッチ１２ｄ、波長変
換素子１２ｅ、及び励起光源１２ｆを含んで構成され
る。

【００１３】全反射ミラー１２ａと部分透過ミラー１２
ｂとが、光共振器を構成している。レーザ媒質１２ｃ、
Ｑスイッチ１２ｄ、及び波長変換素子１２ｅは、光共振
器内の光路上に配置されている。レーザ媒質１２ｃとし
て、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、またはＮｄ：
ＹＶＯ₄等が用いられる。波長変換素子１２ｅは、レー
ザ媒質１２ｃからの誘導放出光の波長を変換し、その２
倍高調波を生成する。

【００１４】Ｑスイッチ１２ｄがオン状態のとき、光共
振器の品質因子Ｑが低い値に保たれ、レーザ発振するこ
となくレーザ媒質１２ｃが高い利得状態まで励起され
る。Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態にすると、光共振器の
品質因子Ｑが高くなり、レーザ発振の急激な立ち上がり
が生ずる。これにより、高ピークパワーのパルスレーザ
ビームが出力される。Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態に維
持しておくと、パルスレーザビームのピークパワーより
も低いパワーの連続波（ＣＷ）レーザビームが出力され
る。

【００１５】レーザ媒質１２ｃとしてＮｄ：ＹＡＧを用
いる場合、出力される２倍高調波の波長は５３２ｎｍに
なる。なお、波長変換素子１２ｅを光共振器の外に配置
してもよい。また、３倍以上の高調波を生成する構成と
してもよい。

【００１６】Ｑスイッチレーザ発振器１２から出力され
たレーザビームは、アッテネータ１３を経由してビーム
エキスパンダ１６に入射し、ビーム径が拡げられる。ビ
ーム径の拡がったレーザビームは、空間的可干渉性解消
素子１７で可干渉性を緩和され、ビームホモジナイザ
（整形光学系）１８で均一な強度分布を有するビームに
変換される。空間的可干渉性解消素子１７及びビームホ
モジナイザ１８の構成については、後に詳しく説明す
る。

【００１７】ビームホモジナイザ１８から出射したレー
ザビームは、折返しミラー４０で下方に反射され、マス
ク４１に形成されているスリットに入射する。ビームホ
モジナイザ１８は、マスク４１の配置された位置におけ
るビーム断面が、マスク４１のスリットに整合した直線
状になるようにレーザビームを整形する。

【００１８】マスク４１のスリットを透過したレーザビ
ームが、集束レンズ４２で集束され、ガスカーテン装置
２０の入射窓２２に入射する。ガスカーテン装置２０
は、入射窓２２とガス導入口２３とを有する上板２４、
及びその周辺部下面に接続された側壁部材２５で半密閉
空間を画定する。側壁部材２５の下部にはガス回収口２
６が設けられている。なお、ガス雰囲気形成機構はガス
カーテンだけに限定されない。例えば、ガス交換が可能
な真空チェンバでも良い。

【００１９】ステージ３０が、ステッピングモータ等の
駆動手段を備えたＸステージ３３、Ｙステージ３２、及
び定盤３１を含んで構成されている。Ｙステージ３２
は、Ｘステージ３３上に取り付けられており、Ｙステー
ジ３２の上に定盤３１が設置されている。定盤３１の上
に、アモルファスシリコン膜を形成したガラス基板等の
加工対象物１９が載置される。Ｘステージ３３及びＹス
テージ３２を動作させることにより、定盤３１を２次元
方向に移動させることができる。なお、Ｘステージ３３
とＹステージ３２との上下の順序は逆でも良い。

【００２０】ガスカーテン装置２０は、定盤３１の上方
に、加工対象物１９から所定距離隔てて配置される。ガ
ス導入口２３から不活性ガスを導入すると、上板２４、
側壁部材２５、及び定盤３１上に載置された加工対象物
１９で画定される加工空間内が不活性ガスで充填され、
外気から遮断される。

【００２１】入射窓２２を通して加工空間内に入射した
レーザビームが、定盤３１の上に載置された加工対象物
１９に入射する。集束レンズ４２は、マスク４１のスリ
ットを、加工対象物１９の表面上に結像させる。加工対
象物１９のアモルファスシリコン膜にレーザビームを照
射すると、アモルファスシリコン膜がレーザビームによ
って溶融し、不活性ガス雰囲気内で固化（結晶化）す
る。

【００２２】コンピュータ等で構成された制御装置３５
が、タイミング制御装置３６を介してＱスイッチレーザ
発振器１２に、Ｑスイッチ１２ｄのタイミング信号を送
信する。また、制御装置３５は、ステージコントローラ
３９を介してＸステージ３３及びＹステージ３２を所望
速度で移動させることができる。

【００２３】駆動機構５５が、アッテネータ１３とビー
ムエキスパンダ１６との間のレーザビームの光路内に、
全反射ミラー５１を移動させる。全反射ミラー５１がレ
ーザビームの光路内に配置されると、レーザビームが反
射され、折返しミラー５２に入射する。この状態では、
レーザビームがビームエキスパンダ１６に入射しない。

【００２４】折返しミラー５２で反射されたレーザビー
ムが、集束レンズ５３で集束され、全反射ミラー５４に
入射する。駆動機構５４が、マスク４１と集束レンズ４
２との間のレーザビームの光路内に、全反射ミラー５４
を移動させる。

【００２５】全反射ミラー５４がレーザビームの光路内
に配置されている状態では、集束レンズ５３で集束され
たレーザビームが、全反射ミラー５４で反射され、集束
レンズ４２に入射する。集束レンズ４２に入射したレー
ザビームは、マスク４１を通過したレーザビームと同様
に、加工対象物１９に入射する。集束レンズ５３及び４
２は、加工対象物１９の表面上でレーザビームのスポッ
トサイズが最小になるような構成とされている。すなわ
ち、集束レンズ５３と４２とが、加工対象物１９の表面
上に焦点を結ばせる集光光学系を構成する。

【００２６】図２（Ａ）及び（Ｂ）に、空間的可干渉性
解消素子１７及びホモジナイザ１８の構成例を示す。光
軸をＺ方向とした場合、図２（Ａ）は、たとえばＸ方向
から見た側面図であり、図２（Ｂ）はＹ方向から見た側
面図である。

【００２７】空間的可干渉性解消素子１７は、Ｚ方向の
長さが異なる光学材料の板をＹ方向に積層した素子１７
ｂと、Ｘ方向に積層した素子１７ａとを組み合わせた構
成を有する。ビーム断面内の位置によって、実効的な光
路長に差が生じ、空間的可干渉性が低減する。互いに隣
接する領域で光路長が徐々に変化する構成を図示した
が，光路差の設定は任意である。たとえば、ランダムな
光路差を設定してもよい。

【００２８】なお、ビーム断面内を複数の領域に分割で
き、各領域に異なる光路差を生じさせる構成であれば図
示の構成に限らない。たとえば、ファイババンドルのよ
うな構成であれば、２つの素子を必要とせず、単一の素
子で同様の効果を発揮することができる。

【００２９】ホモジナイザ１８は、たとえば、Ｘ方向シ
リンドリカルレンズ１８ａをＹ方向に並べ、Ｙ方向に並
んだ複数の光束を形成し、他のＸ方向シリンドリカルレ
ンズ１８ｂで各光束を再分布させる。同様に、Ｙ方向シ
リンドリカルレンズ１８ｃをＸ方向に並べ、Ｘ方向に並
んだ複数の光束を形成し、他のＹ方向シリンドリカルレ
ンズ１８ｄで各光束を再分布させる。図の構成では、レ
ンズ１８ｐ、１８ｑで各光束を共通の仮想平面（ホモジ
ナイズ面）上にホモジナイズさせている。ホモジナイズ
した領域は、Ｙ方向に長い線状の形状を有する。

【００３０】このようにして、照射領域内で一定の強度
を有する長尺ビームを形成している。このホモジナイズ
面に、図１に示したマスク４１が配置されている。マス
ク４１のスリットが、アモルファスシリコン膜を堆積し
た加工対象物１９上に結像されるため、アモルファスシ
リコン膜上において、レーザビームの照射領域内の強度
がほぼ均一になる。

【００３１】次に、図３を参照して、実施例による結晶
成長方法について説明する。なお、必要に応じて、図１
が参照される。

【００３２】図３（Ａ）に示すように、加工対象物１９
は、長方形のガラス基板１９ａの上にアモルファスシリ
コン膜１９ｂが堆積された積層構造を有する。ガラス基
板１９ａの１つの辺に平行な方向をｘ軸とし、その辺と
隣り合う辺に平行な方向をｙ軸とする。図１に示したＱ
スイッチレーザ発振器１２のＱスイッチ１２ｄをオン状
態にしておき、移動ミラー５１及び５４を、レーザビー
ムの光路内に配置する。

【００３３】Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態にし、高ピー
クパワーのパルスレーザビームを出射させる。このパル
スレーザビーム６０は、集束レンズ５３及び４２を通過
して、加工対象物１９の表面上に入射する。第１回目の
照射では、パルスレーザビーム６０を、アモルファスシ
リコン膜１９ｂの頂点近傍に入射させる。

【００３４】Ｑスイッチ１２ｄのオンオフを繰り返すこ
とにより、複数ショットのパルスレーザビーム６０を出
力させるとともに、Ｙステージ３２を移動させて、パル
スレーザビーム６０のビームスポットをアモルファスシ
リコン膜１９ｂの一つの辺に沿って移動させる。

【００３５】図３（Ｂ）に、ビームスポット６１の移動
の様子を示す。あるショットのビームスポットが、前回
のショットのビームスポットと部分的に重なるように、
ビームスポット６１が移動している。ビームスポット６
１のサイズは、１０〜３００μｍである。

【００３６】高ピークパワーを有するパルスレーザビー
ム６０を照射することにより、加工対象物１９に、アモ
ルファスシリコン膜１９ｂを貫通してガラス基板１９ａ
まで達する凹部が形成される。ビームスポット６１を移
動させることにより、加工対象物１９の縁に、段差６２
が形成される。アモルファスシリコン膜１９ｂのうち、
段差６２の極近傍の領域は、一旦溶融し、その後固化す
る。このため、段差６２の側面に露出した部分が結晶化
され、段差６２に沿った領域に種結晶６３が形成され
る。

【００３７】種結晶６３を形成した後、移動ミラー５１
及び５４を、レーザビームの光路から外れた位置に待避
させる。Ｑスイッチ１２ｄをオフ状態に維持し、低パワ
ーの連続波レーザビームを出力させる。連続波レーザビ
ームは、ホモジナイザ１８により長尺化されて加工対象
物１９に入射する。

【００３８】図３（Ｃ）に、長尺化されたレーザビーム
の照射領域６５を示す。照射領域６５の長手方向がｙ軸
と平行になり、種結晶６３の形成された領域に入射す
る。Ｘステージ３３を動作させることにより、照射領域
６５をｘ軸方向に移動させる。照射領域６５のアモルフ
ァスシリコンが溶融し、固化することにより、結晶がｘ
軸方向に成長する。これにより、ｘ軸方向に長い単結晶
領域、例えばｙ軸方向の幅が５μｍ、ｘ軸方向の長さが
２０μｍ程度の単結晶領域を形成することができる。上
記実施例による方法では、１つのＱスイッチレーザ発振
器１２を使用することにより、種結晶の形成と結晶成長
とを行うことができる。

【００３９】上記実施例では、アモルファスシリコンを
多結晶化させる場合を説明したが、他のアモルファス半
導体やアモルファス材料を多結晶化させることも可能で
ある。また、上記実施例では、加工対象物に段差を形成
する場合を説明したが、必ずしも段差を形成する必要は
ない。加工対象物の表面におけるパルスレーザビームの
エネルギ密度を、加工対象物に凹部は形成されないが、
アモルファス材料が溶融する程度の大きさとしてもよ
い。また、上記実施例では、加工対象物の縁に沿った領
域に種結晶を形成したが、その他の領域に種結晶を形成
することも可能である。

【００４０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｑスイッチレーザ発振器から出力される高ピークパワー
のパルスレーザビームの照射により、アモルファス材料
の一部が結晶化され、低パワーの連続波レーザビームの
照射により種結晶が成長する。このため、１台のレーザ
光源を用いて、種結晶の形成と結晶成長との両方を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるレーザアニール装置の
概略図である。

【図２】本発明の実施例によるレーザアニール装置に
用いられている空間的可干渉性解消素子及びビームホモ
ジナイザの側面図及び平面図である。

【図３】本発明の実施例による結晶成長方法を説明す
るための加工対象物の斜視図、及びレーザビームの照射
領域の移動の様子を説明するための加工対象物の平面図
である。

【符号の説明】

１２Ｑスイッチレーザ発振器１３アッテネータ１６ビームエキスパンダ１７空間的可干渉性解消素子１８ビームホモジナイザ１９加工対象物２０ガスカーテン装置２２入射窓２３ガス導入口２４上板２５側壁部材２６ガス回収口３０ステージ３１定盤３２Ｙステージ３３Ｘステージ３５制御装置３６タイミング制御装置３９ステージコントローラ４０、５２折返しミラー４１マスク４２、５３集束レンズ５１、５４移動ミラー６０パルスレーザビーム６１ビームスポット６２段差６３種結晶６５長尺レーザビーム照射領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイ
ッチをオン状態からオフ状態に変化させた時に出力され
るパルスレーザビームを、アモルファス状態の対象部材
に入射させ、照射された部分を結晶化させて種結晶を形
成する工程と、（ｂ）前記Ｑスイッチレーザ発振器のＱスイッチをオフ
状態にした状態で出力される連続波レーザビームを、前
記対象部材の、前記種結晶の形成された位置に入射さ
せ、該連続波レーザビームの入射位置を、前記種結晶か
ら遠ざかる方向に移動させることにより前記種結晶を成
長させる工程とを有する結晶成長方法。
【請求項２】前記工程（ａ）において、Ｑスイッチの
オンオフを繰り返しながら、複数ショットのパルスレー
ザビームを前記対象物に入射させるとともに、該パルス
レーザビームの入射位置を、前記対象部材の表面の線状
の領域に沿って移動させ、該線状の領域に種結晶を形成
する工程を含み、前記工程（ｂ）が、前記連続波レーザビームの断面形状を線状に整形する工
程と、線状に整形された前記連続波レーザビームを、前記種結
晶の形成された線状領域に入射させ、入射位置を、該線
状領域の長手方向と交差する方向に移動させながら前記
種結晶を成長させる工程とを含む請求項１に記載の結晶
成長方法。
【請求項３】前記工程（ａ）において、前記対象部材
の表面において、複数ショットの前記パルスレーザビー
ムのビームスポットが相互に重なるように、該パルスレ
ーザビームの入射位置を移動させる請求項２に記載の結
晶成長方法。
【請求項４】前記対象部材が、下地基板の表面上に形
成されたアモルファス状態の薄膜であり、前記工程（ａ）において、前記パルスレーザビームの入
射位置に、該パルスレーザビームのエネルギによって、
前記薄膜を貫通して前記下地基板まで到達する凹部を形
成し、該凹部の側面に露出した部分を結晶化させて種結
晶を形成する請求項１〜３のいずれかに記載の結晶成長
方法。
【請求項５】Ｑスイッチをオン状態からオフ状態に切
り換えたときにパルスレーザビームを出力し、該Ｑスイ
ッチをオン状態に維持しておくと、該パルスレーザビー
ムのピークパワーよりも低いパワーの連続波レーザビー
ムを出力するＱスイッチレーザ発振器と、対象部材を保持するステージと、前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビー
ムの断面形状が、前記ステージに保持された対象部材の
表面において線状になるように整形する整形光学系と、前記Ｑスイッチレーザ発振器から出力されたレーザビー
ムを、前記ステージに保持された対象部材の表面上に、
スポット状に集光させる集光光学系と、前記Ｑスイッチレーザ発振器からパルスレーザビームが
出力されるときに、該パルスレーザビームを、前記集光
光学系を経由して対象部材上に入射させ、前記Ｑスイッ
チレーザ発振器から連続波レーザビームが出力されると
きに、該連続波レーザビームを、前記整形光学系を経由
して対象部材上に入射させる切換手段と、前記整形光学系及び前記集光光学系を経由したレーザビ
ームの、前記テーブルに保持された対象部材の表面への
入射位置を移動させる移動機構とを有するレーザアニー
ル装置。
【請求項６】前記切換手段が、前記Ｑスイッチレーザ
発振器から出力されたレーザビームの光路内に移動して
レーザビームを反射させる移動ミラーを有し、該移動ミ
ラーが前記レーザビームの光路から外れた位置に待避さ
れている状態では、前記レーザビームが、前記整形光学
系及び前記集光光学系の一方の光学系に入射し、前記移
動ミラーが前記レーザビームの光路内に配置されている
状態では、前記レーザビームが他方の光学系に入射する
請求項５に記載のレーザアニール装置。