JP2007059706A - Method for manufacturing semiconductor crystal film and device using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体結晶膜の製造方法、特に、プラスチック樹脂等の柔軟性基板上に半導体結晶膜を形成できる技術に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor crystal film, and more particularly to a technique capable of forming a semiconductor crystal film on a flexible substrate such as a plastic resin.
近年、液晶ディスプレイや有機LED(light emitting diode) ディスプレイの画素のスイッチングに使用される薄膜トランジスタ(Thin-Film Transistor, TFT)の基板材料として非晶質シリコン（amorphous-Silicon, a-Si）に替わり、多結晶シリコン(polycrystalline silicon, poly-Si)が検討されている。Poly-Si薄膜にＴＦＴを作製することによりＴＦＴの電界効果移動度がa-Si薄膜に形成されたＴＦＴよりも大きくなり、これまで駆動回路がパネル外部のLSI（large-scale integrated circuit）に形成されていたのであるが、画素周辺領域のガラス上に作製できる。この事により、第一に全体として軽量になる、第二に、様々なシステムをディスプレイに搭載する、所謂、システム・オン・ガラス（system-on-glass, SOG）を実現できるという利点を生じるからである。 In recent years, amorphous-silicon (a-Si) has been used as a substrate material for thin-film transistors (TFTs) used for switching pixels in liquid crystal displays and organic LED (light emitting diode) displays. Polycrystalline silicon (poly-Si) has been studied. Fabricating TFTs on Poly-Si thin films increases the field-effect mobility of TFTs compared to TFTs formed on a-Si thin films, and so far the drive circuit has been formed on a large-scale integrated circuit (LSI) outside the panel. However, it can be fabricated on the glass in the pixel peripheral region. This has the advantage of being able to realize a so-called system-on-glass (SOG), which is lighter overall and secondly mounted with various systems on the display. It is.
しかし、poly-Si薄膜をガラス基板上に作製するためにはガラスの軟化点（500℃）以下の低温プロセスで行う必要があるが、従来の固相結晶化（solid phase crystallization, SPC）法ではそれ以上の温度（700-1000℃）を必要とすることから使用することができない。 However, in order to produce a poly-Si thin film on a glass substrate, it is necessary to carry out the process at a low temperature below the softening point of glass (500 ° C), but in the conventional solid phase crystallization (SPC) method, It cannot be used because it requires higher temperature (700-1000 ℃).
それを解決する手段として、シリコン層を短時間溶融し、その自然冷却過程中における結晶化（再配列）を利用して多結晶シリコンの形成が考えられた。具体的には、a-Si薄膜をエキシマ・レーザー・アニーリング (excimer laser annealing, ELA法という。)により、結晶化する方法が活発に研究されている。その理由は、ArF、KrF、XeClの場合、波長が各々192nm、248nm、308nmでありSi薄膜の表面から浅い領域で照射光が殆ど吸収されるため、この浅い領域を選択的に高温に加熱することができるので、深層部のガラス基板を軟化点（〜500℃）以上の高温にすることを避けることができるからである（例えば、特許文献１，特許文献２）。 As a means for solving this problem, it was considered to form polycrystalline silicon by melting the silicon layer for a short time and utilizing crystallization (rearrangement) during the natural cooling process. Specifically, a method for crystallizing a-Si thin films by excimer laser annealing (ELA method) has been actively studied. The reason is that in the case of ArF, KrF, and XeCl, the wavelengths are 192 nm, 248 nm, and 308 nm, respectively, and most of the irradiation light is absorbed in the shallow region from the surface of the Si thin film, so this shallow region is selectively heated to a high temperature. This is because it can be avoided that the glass substrate in the deep layer is heated to a temperature higher than the softening point (˜500 ° C.) (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
図１は、従来方法を説明するためのものである。絶縁性基板となるガラス基板１上に非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３を積層し（図１（ａ）参照）、その膜表面に高エネルギー密度（照射面でのエネルギー密度＝250〜400mJ/cm2）レーザーを照射し、若しくは、高温アニール処理（700〜1000℃）を施し、非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３を溶融させて溶融シリコン４とした後（図１（ｂ）参照）、冷却し凝固させて、ガラス基板１上に結晶化シリコン膜５を形成するものである（図１（ｃ）参照）。尚、700〜1000℃の高温アニール処理を施す場合は非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３の基板として石英が用いられている。 FIG. 1 illustrates a conventional method. An amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3 is stacked on a glass substrate 1 serving as an insulating substrate (see FIG. 1A), and a high energy density (energy density on the irradiated surface = 250) is formed on the film surface. -400 mJ / cm 2 ) After laser irradiation or high-temperature annealing (700-1000 ° C.), the amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3 is melted to form molten silicon 4 (FIG. 1). (Refer to (b)) and cool and solidify to form a crystallized silicon film 5 on the glass substrate 1 (see FIG. 1C). In the case of performing a high-temperature annealing treatment at 700 to 1000 ° C., quartz is used as the substrate of the amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3.
また一方で、将来の発展が期待されるプラスチックフィルム、ステンレススチール、繊維、紙といった柔軟性基板へのディスプレイの作製も検討されている。しかし、高エネルギー密度のELA法では、深層部の基板の温度上昇を避ける効果はあるが、a-Si薄膜と基板との界面温度を室温〜100oC以下にすることはできない為、フレキシブル・ディスプレイの作製は不可能である。そこで、例えば、SUFTLA(Surface Free Technology by Laser Ablation/Annealing)と呼ばれている技術が開発されている。これは、ＴＦＴ作製薄膜層/犠牲非晶質層/ガラス基板のＴＦＴ作製薄膜層をガラス基板側からレーザー照射し、ＴＦＴ作製薄膜層を剥離してプラスチック基板に移し変えるものである。 On the other hand, the production of displays on flexible substrates such as plastic films, stainless steel, fibers, and paper, which are expected to develop in the future, is also being studied. However, the ELA method with high energy density has the effect of avoiding the temperature rise of the substrate in the deep layer, but the interface temperature between the a-Si thin film and the substrate cannot be lowered to room temperature to 100 ° C or less. It is impossible to make a display. Therefore, for example, a technique called SUFTLA (Surface Free Technology by Laser Ablation / Annealing) has been developed. This is a method of irradiating a TFT manufacturing thin film layer of TFT manufacturing thin film layer / sacrificial amorphous layer / glass substrate with laser from the glass substrate side, peeling the TFT manufacturing thin film layer and transferring it to a plastic substrate.
しかし、この方法では作製薄膜層を剥離してプラスチック基板に移し変えるといったプロセスが煩雑で処理数が増加するという問題がある。
そのため、フレキシブル基板上での直接的な結晶化技術の開発が要望されている。
However, this method has a problem that the process of peeling off the produced thin film layer and transferring it to a plastic substrate is complicated and the number of treatments increases.
Therefore, development of a direct crystallization technique on a flexible substrate is desired.
従来、ガラス基板にシリコン半導体結晶膜を形成する方法として、ガラス基板上に非晶質シリコン半導体を積層し、それに高エネルギー密度レーザーを照射して一旦溶融させた後に、凝固・結晶化させる方法、又は、非晶質シリコン半導体を固相結晶化させる方法が採られていた。しかし、固相結晶化においては700〜1000℃といった高温プロセスのため、又、高密度レーザーにおいても界面近傍の温度が融点付近まで上昇するため、軟化点以下の低温プロセスを必要とする基板材料（例えば、ガラス基板は上述したように軟化点が約500℃）、又は、プラスチックフィルム、ステンレススチール、高分子系繊維、紙等の柔軟性基板には使用することができず、基板材料の選択の自由度が制限されるといった問題がある。 Conventionally, as a method of forming a silicon semiconductor crystal film on a glass substrate, a method of laminating an amorphous silicon semiconductor on a glass substrate, irradiating it with a high energy density laser and melting it once, then solidifying and crystallizing, Alternatively, a method of solid-phase crystallization of an amorphous silicon semiconductor has been adopted. However, substrate materials that require a low-temperature process below the softening point due to the high-temperature process of 700 to 1000 ° C in solid-phase crystallization and the temperature in the vicinity of the interface rises to near the melting point even in a high-density laser ( For example, the glass substrate has a softening point of about 500 ° C. as described above, or cannot be used for flexible substrates such as plastic film, stainless steel, polymer fiber, paper, etc. There is a problem that the degree of freedom is limited.
柔軟性基板上にＴＦＴ作製薄膜を得る方法としては、あらかじめガラス基板上に結晶シリコン層を作製し、成膜した結晶シリコン層をプラスチック等の柔軟性基板に移すことが検討されていた。しかし、この方法では上述したように作製薄膜層を剥離してプラスチック基板に移し変えるといったプロセスが煩雑で処理数が増加するといった問題がある。 As a method for obtaining a TFT-fabricated thin film on a flexible substrate, it has been studied to produce a crystalline silicon layer on a glass substrate in advance and transfer the deposited crystalline silicon layer to a flexible substrate such as plastic. However, in this method, there is a problem that the process of peeling off the produced thin film layer and transferring it to a plastic substrate is complicated as described above, and the number of processes increases.
半導体結晶膜の製造方法および製造装置に係わる本発明は、低温プロセスを用いて、poly-Si薄膜などの半導体結晶膜をプラスチックフィルム、ステンレススチール、高分子系繊維、紙等の絶縁性、又は柔軟性基板上に直接作製することを目的とする。
即ち、柔軟性基板上にＴＦＴ作製薄膜を作製する場合において、あらかじめガラス基板上に結晶シリコン層を作製してから、それをプラスチック等の柔軟性基板に移すといったプロセスを経ずに、直接的に柔軟性基板上での結晶化を行なうことができることを目的とする。
The present invention relating to a semiconductor crystal film manufacturing method and a manufacturing apparatus uses a low-temperature process to convert a semiconductor crystal film such as a poly-Si thin film into an insulating or flexible plastic film, stainless steel, polymer fiber, paper, etc. It aims at producing directly on a conductive substrate.
That is, in the case of producing a TFT fabrication thin film on a flexible substrate, a crystalline silicon layer is fabricated on a glass substrate in advance, and then transferred directly to a flexible substrate such as plastic, directly. An object is to perform crystallization on a flexible substrate.
本発明者らは、研究を重ねた結果、本発明に係る半導体結晶膜の製造方法を完成した。
本発明に係る半導体結晶膜の作製方法は、従来概念の溶融・結晶化というプロセスを経ず、局所的なフォノン励起により、不規則位置にあるシリコン原子を規則位置にもっていくという画期的な原理によるものである。
As a result of repeated research, the present inventors have completed the method for producing a semiconductor crystal film according to the present invention.
The semiconductor crystal film manufacturing method according to the present invention is an epoch-making process in which silicon atoms in irregular positions are brought to regular positions by local phonon excitation without going through the conventional melting and crystallization process. It is based on the principle.
すなわち、本発明では、絶縁性基板上の非晶質半導体層内で、フォノンを非熱平衡状態で局所的に励起させ、不規則位置に存在する原子を規則位置に移動させることにより、非溶融状態で半導体結晶膜を得ることを特徴とする半導体結晶膜の作製方法が提供される。 That is, in the present invention, in the amorphous semiconductor layer on the insulating substrate, phonons are locally excited in a non-thermal equilibrium state, and atoms existing in the irregular positions are moved to the regular positions. A method for producing a semiconductor crystal film is provided, which is characterized by obtaining a semiconductor crystal film.
ここで、「絶縁性、又は柔軟性基板」とは、好ましくは、ガラス、石英、プラスチックフィルム、ステンレススチール、高分子系繊維、紙のうちから選択されたいずれか一つ、または複数を含むもので構成されるものをいい、「非晶質半導体層」とは、シリコンやゲルマニウム、あるいは、それらの化合物の非晶質の半導体薄膜をいい、膜厚は１〜１００ｎｍ程度の層を言う。 Here, the “insulating or flexible substrate” preferably includes one or more selected from glass, quartz, plastic film, stainless steel, polymer fiber, and paper. The “amorphous semiconductor layer” refers to an amorphous semiconductor thin film of silicon, germanium, or a compound thereof, and refers to a layer having a thickness of about 1 to 100 nm.
また、「フォノン」とは、結晶を構成するシリコンなどの原子の集団振動を量子化してフォノンと称している。「フォノンを励起させる」とは一般的には、結晶の振動が乱雑な状態から、局所的に多数の原子を同方向・同位相で振動を起こさせる、所謂、コヒーレントフォノンを励起する事を意味する。しかし、本請求において「フォノンを非熱平衡状態で局所的に励起させ」とは、不規則位置のシリコン原子を緩和させ、ポテンシャルが最小となる規則位置へ移動させるエネルギーに適した、周波数成分が合成されたフォノンを局所的に発生させ、原子を規則位置へ再配列させることを意味する。 Further, “phonon” is called phonon by quantizing collective vibration of atoms such as silicon constituting a crystal. “Exciting phonons” generally means exciting so-called coherent phonons that cause many atoms to vibrate locally in the same direction and phase from the disordered state of the crystal. To do. However, in this claim, “exciting phonons locally in a non-thermal equilibrium state” means that frequency components suitable for energy that relaxes irregularly positioned silicon atoms and moves them to ordered positions where the potential is minimized are synthesized. This means that generated phonons are generated locally and atoms are rearranged to regular positions.
前記のように局所的なフォノンの励起により、シリコン原子が不規則位置に存在する非晶質シリコン半導体膜を、熱振動を大きくすることなく非溶融状態で、原子が規則位置に存在する半導体結晶膜に変質させることができる。 A semiconductor crystal in which an amorphous silicon semiconductor film in which silicon atoms are present in irregular positions by the local phonon excitation as described above is in a non-molten state without increasing thermal vibration and in which atoms are present in regular positions. It can be transformed into a membrane.
ここで、局所フォノンは、光子エネルギー10eVから3keVの軟Ｘ線光子ビームを照射することによって、不規則位置に存在するシリコン原子を高励起電子状態に励起して隣のシリコン原子との間に斥力を発生させ、その斥力によって当該シリコン原子に与えられるインパクトとして発生するものと考えられる。 Here, the local phonon is irradiated with a soft X-ray photon beam having a photon energy of 10 eV to 3 keV to excite a silicon atom present at an irregular position into a highly excited electronic state and repulsive force between adjacent silicon atoms. This is considered to occur as an impact given to the silicon atom by the repulsive force.
また、軟Ｘ線光子ビームを照射する方法として、軟Ｘ線光子ビームを連続的に照射する方法、またはパルス状ビームを間歇的に照射する方法を用いる。
本発明の軟Ｘ線光子ビームを照射する方法では、非熱平衡状態で反応を進めることができるため、膜の冷却が不要で連続的に照射することも可能である。一方、パルス状ビームを準連続的に、間歇的に照射することによって、局所的フォノンを短時間に大量に発生させ、結晶化の速度を速めつつ、平均入熱を下げることができる。
As a method of irradiating the soft X-ray photon beam, a method of continuously irradiating the soft X-ray photon beam or a method of intermittently irradiating the pulsed beam is used.
In the method of irradiating with the soft X-ray photon beam of the present invention, the reaction can proceed in a non-thermal equilibrium state, so that it is possible to irradiate continuously without cooling the film. On the other hand, by irradiating the pulsed beam quasi-continuously and intermittently, a large amount of local phonons can be generated in a short time, and the average heat input can be lowered while increasing the crystallization speed.
また、本発明に係る半導体結晶膜の製造装置は、絶縁性、又は柔軟性基板上の非晶質半導体層内で、フォノンを非熱平衡状態で局所的に励起させ、不規則位置に存在する原子を規則位置に移動させることにより、非溶融状態で半導体結晶膜を製造する装置であって、・非熱平衡状態でフォノンを局所的に励起させる励起光源と、
・前記励起光源から発光された励起光を基板上に導く軟Ｘ線光学系と、
・励起光が基板全体を連続的に照射していくことを可能にする基板搬送系と、
・基板上で励起光の照射強度が一様、且つ必要な照射エネルギー・時間波形になるよう前記光源、並びに前記基板搬送系に必要な制御を行う制御系と、
から構成される。
In addition, the semiconductor crystal film manufacturing apparatus according to the present invention excites phonons locally in a non-thermal equilibrium state in an amorphous semiconductor layer on an insulating or flexible substrate, and presents atoms at irregular positions. Is an apparatus for manufacturing a semiconductor crystal film in a non-molten state by moving the phonon to a regular position, and an excitation light source that locally excites phonons in a non-thermal equilibrium state;
A soft X-ray optical system that guides excitation light emitted from the excitation light source onto a substrate;
A substrate transport system that allows the excitation light to irradiate the entire substrate continuously;
A control system that performs control necessary for the light source and the substrate transport system so that the irradiation intensity of the excitation light is uniform on the substrate and the required irradiation energy / time waveform is obtained;
Consists of
ここで、好適には、励起光源が光子エネルギー10eVから3keVの軟Ｘ線光子ビームを発生し、次に、軟Ｘ線光学系が当該軟Ｘ線光子ビームを基板に導光する。
この励起光源は、レーザー生成プラズマや放電プラズマによって発生させることができる。
Here, preferably, the excitation light source generates a soft X-ray photon beam having a photon energy of 10 eV to 3 keV, and then the soft X-ray optical system guides the soft X-ray photon beam to the substrate.
This excitation light source can be generated by laser-produced plasma or discharge plasma.
また、本発明に係る半導体結晶膜の製造装置においては、軟Ｘ線光学系は、コンデンサーレンズ、コンデンサーミラーと中空ファイバーの少なくとも１つであることが好ましい。 In the semiconductor crystal film manufacturing apparatus according to the present invention, the soft X-ray optical system is preferably at least one of a condenser lens, a condenser mirror, and a hollow fiber.
本発明に係る半導体結晶膜の作製方法では、ガラスの軟化点（500℃）以下の低温プロセスを用いて、poly-Si薄膜などの半導体結晶膜を絶縁性、又は柔軟性基板上に直接的に作製できることから、柔軟性基板上にＴＦＴ作製薄膜を作製する場合においても、あらかじめガラス基板上に結晶シリコン層を作製してから、それをプラスチック等の柔軟性基板に移すといったプロセスを経ずに、直接的に柔軟性基板上での結晶化を行えるといった効果がある。 In the method for producing a semiconductor crystal film according to the present invention, a semiconductor crystal film such as a poly-Si thin film is directly formed on an insulating or flexible substrate by using a low-temperature process below the softening point (500 ° C.) of glass. Since it can be produced, even when producing a TFT production thin film on a flexible substrate, without producing a crystalline silicon layer on a glass substrate in advance and then transferring it to a flexible substrate such as plastic, There is an effect that crystallization can be performed directly on a flexible substrate.
その結果、非晶質半導体層を非溶融状態のまま結晶化を実現できるものであり、すなわち、非晶質半導体層や絶縁性、柔軟性基板の温度上昇を阻止することができ、室温近傍の低温で結晶化を実現できるということである。
絶縁性、又は柔軟性基板の温度上昇を阻止することができ、室温近傍の低温で結晶化を実現できるため、特に、プラスチックフィルム・ステインレススティール・繊維・紙の上に結晶半導体層を作製することが可能となり得る。
As a result, crystallization can be realized while the amorphous semiconductor layer is in an unmelted state, that is, it is possible to prevent the temperature rise of the amorphous semiconductor layer, the insulating and flexible substrates, It means that crystallization can be realized at a low temperature.
Insulating or flexible substrates can be prevented from rising in temperature, and crystallization can be realized at a low temperature near room temperature. Therefore, a crystalline semiconductor layer is especially produced on plastic film, stainless steel, fiber, and paper. Can be possible.
また、高効率なプラズマ軟X線源を用いることで、フォトンコストを低下でき、装置の小型化が可能で、処理のスループットを向上できる。 Further, by using a high-efficiency plasma soft X-ray source, the photon cost can be reduced, the apparatus can be miniaturized, and the processing throughput can be improved.
図２は、本発明に係る半導体結晶膜の作製方法を説明するためのものである。本発明に係る半導体結晶膜の作製方法では、ガラス基板１上または、プラスチックフィルム等の柔軟性基板２上に非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３を積層し（図２（ａ）参照）、その膜表面に軟Ｘ線光子ビーム６を照射することによりフォノンを励起し（図２（ｂ）参照）、非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３を溶融させることなく非溶融のまま、基板上に結晶化シリコン膜５を形成するものである（図２（ｃ）参照）。尚、ガラス基板の場合には、基板と非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３の間にはガラスからのアルカリイオンの混入を防ぐ為、シリコン酸化膜（SiO2）、シリコン窒化膜（Si3N4）、又は、その積層膜を挿入する場合もある。 FIG. 2 is a view for explaining a method of manufacturing a semiconductor crystal film according to the present invention. In the method for producing a semiconductor crystal film according to the present invention, an amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3 is laminated on a glass substrate 1 or a flexible substrate 2 such as a plastic film (see FIG. 2A). The film surface is irradiated with a soft X-ray photon beam 6 to excite phonons (see FIG. 2B), and the amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3 is not melted without melting. The crystallized silicon film 5 is formed on the substrate as it is (see FIG. 2C). In the case of a glass substrate, a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiO 2 ) is used between the substrate and the amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3 in order to prevent alkali ions from entering the glass. Si 3 N 4 ) or a laminated film thereof may be inserted.
本発明に係る半導体結晶膜の作製方法は、上述した如く、非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３表面に軟Ｘ線光子ビーム６を照射することにより、フォノンを非熱平衡状態で局所的に励起させ、不規則位置に存在するシリコン原子を規則位置に移動させることにより、非溶融状態で結晶化シリコン半導体膜５を得る。 As described above, the method for producing a semiconductor crystal film according to the present invention locally irradiates phonons in a non-thermal equilibrium state by irradiating the surface of the amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 3 with the soft X-ray photon beam 6. The crystallized silicon semiconductor film 5 is obtained in a non-molten state by moving the silicon atoms present at irregular positions to the regular positions.
非晶質シリコン半導体層３を非溶融状態のまま結晶化できるものであり、すなわち、非晶質シリコン半導体層３および基板の温度上昇を阻止することができ、室温近傍の低温で結晶化を実現できるため、従来700〜1000℃といった高温プロセスでは取り扱うことが困難であった、プラスチックフィルム，ステンレススチール，繊維，樹脂，紙等の柔軟性基板上に結晶化シリコン半導体層５を作製することが可能となり得る。 The amorphous silicon semiconductor layer 3 can be crystallized in an unmelted state, that is, the amorphous silicon semiconductor layer 3 and the substrate can be prevented from rising in temperature, and crystallization is realized at a low temperature near room temperature. Therefore, it is possible to produce the crystallized silicon semiconductor layer 5 on a flexible substrate such as plastic film, stainless steel, fiber, resin, paper, etc., which has been difficult to handle with a high temperature process of 700 to 1000 ° C. Can be.
本発明に係る半導体結晶膜の作製は、先ず、絶縁性、又は柔軟性基板としてプラスチックフィルムを用意し、その表面上に直接か、またはバッファー層を介して、非晶質シリコン（a-Si）半導体膜３を化学的気相蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて形成する。ここで、形成するa-Si半導体膜３の膜厚は1〜100ｎｍとする。
なお、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ法）を用いている代わりに、a-Si半導体膜を形成する方法としてはスパッタリング法を用いてもよい。
The semiconductor crystal film according to the present invention is prepared by first preparing a plastic film as an insulating or flexible substrate, and forming amorphous silicon (a-Si) directly on the surface or via a buffer layer. The semiconductor film 3 is formed using chemical vapor deposition (CVD). Here, the thickness of the a-Si semiconductor film 3 to be formed is 1 to 100 nm.
Note that a sputtering method may be used as a method of forming the a-Si semiconductor film instead of using the chemical vapor deposition method (CVD method).
この形成されたa-Si半導体膜３に、光子エネルギー10eVから3keVの軟Ｘ線光子ビーム６を照射させることにより、当該a-Si半導体膜の膜内で、フォノンを非熱平衡状態で局所的に励起させ、不規則位置に存在するシリコン原子を規則位置に移動させることができる。
その結果、当該a-Si半導体を溶解することなく、当該a-Si半導体膜から結晶化シリコン半導体膜（c-Si）５を得ることができる。
By irradiating the formed a-Si semiconductor film 3 with a soft X-ray photon beam 6 having a photon energy of 10 eV to 3 keV, phonons are locally grown in a non-thermal equilibrium state in the a-Si semiconductor film. When excited, silicon atoms existing at irregular positions can be moved to regular positions.
As a result, a crystallized silicon semiconductor film (c-Si) 5 can be obtained from the a-Si semiconductor film without dissolving the a-Si semiconductor.
ここで、実施例１において使用した軟Ｘ線光子ビーム６について説明する。実施例１で用いた軟Ｘ線光子ビーム６は、放射光施設のビームラインから発生させている。本実施例１では、10eVから500eVのエネルギー領域の軟Ｘ線光子ビームを使用している。 Here, the soft X-ray photon beam 6 used in Example 1 will be described. The soft X-ray photon beam 6 used in the first embodiment is generated from the beam line of the synchrotron radiation facility. In the first embodiment, a soft X-ray photon beam having an energy range of 10 eV to 500 eV is used.
また、軟Ｘ線光子ビーム６は、連続的に照射してもよく、また、パルス状に間歇的に照射してもかまわない。 The soft X-ray photon beam 6 may be irradiated continuously or intermittently in a pulsed manner.
図３に、実施例１において使用した軟Ｘ線光子ビーム６をa-Si半導体膜３に照射した場合におけるシリコン結晶化の度合と軟Ｘ線の照射量（照射Dose量）の相関グラフを示している。ここで、シリコン結晶化の度合は、ラマン分光法（Raman spectroscopy）で結晶性の評価を行っており、TO（transverse optical）フォノンピーク強度がシリコン結晶化の度合と対応している。図３から、軟Ｘ線の照射量を増加するに従い、a-Siからの結晶化が進行していることが理解できる。 FIG. 3 shows a correlation graph between the degree of silicon crystallization and the soft X-ray dose (irradiation dose) when the a-Si semiconductor film 3 is irradiated with the soft X-ray photon beam 6 used in Example 1. ing. Here, the degree of silicon crystallization is evaluated by crystallinity by Raman spectroscopy, and the TO (transverse optical) phonon peak intensity corresponds to the degree of silicon crystallization. From FIG. 3, it can be understood that crystallization from a-Si proceeds as the dose of soft X-rays increases.
本実施例では軟Ｘ線光子ビーム６を発生する方法として放射光を利用したが、レーザープラズマＸ線源または放電プラズマX線源を用いると、フォトン数が放射光強度に対して数桁ほど大きくなり、結晶化速度を早めることができるうえ、装置の小型化が可能である。 In this embodiment, radiation light is used as a method for generating the soft X-ray photon beam 6. However, when a laser plasma X-ray source or a discharge plasma X-ray source is used, the number of photons is several orders of magnitude greater than the intensity of the emitted light. Thus, the crystallization speed can be increased and the apparatus can be miniaturized.
なお、本実施例では、絶縁性基板としてプラスチックフィルムを用いているが、ガラス、石英、ステンレススチール、紙、ナイロンやビニール等の高分子系繊維を用いることもできる。 In this embodiment, a plastic film is used as the insulating substrate, but polymer fibers such as glass, quartz, stainless steel, paper, nylon and vinyl can also be used.
次に、図４で、本発明の実施例２として、レーザー生成プラズマＸ線源を用いて軟Ｘ線光子ビーム６を発生させ、これを用いて半導体結晶膜を製造する方法と装置について説明する。図４(a)はシステムの構成を示す。よく知られているようにパルスレーザー光を集光してターゲット物質に照射することにより高温（10億度以上）高密度のプラズマを生成することができる。この高温高密度のプラズマの寸法は通常1ｍｍ以下で、そこからは５０eVから数keVの量子エネルギーを持つ莫大な数の光子が数nsから数10 nsの時間内に放出される。その光強度は1017 photons/s/2πにも達する。放出スペクトル強度はターゲット材料によって各々特徴があり、下は10eV（紫外線）から用途によって選ぶことが出来る。光子エネルギー10eVから3keVの軟Ｘ線光子ビーム６を照射させることにより、a-Si半導体膜３の膜内で、フォノンを非熱平衡状態で局所的に励起させ、不規則位置に存在するシリコン原子を規則位置に移動させることができる。 Next, referring to FIG. 4, as a second embodiment of the present invention, a method and apparatus for producing a semiconductor crystal film by generating a soft X-ray photon beam 6 using a laser-produced plasma X-ray source and using it will be described. . FIG. 4A shows the system configuration. As is well known, high-temperature (1 billion degrees C.) and high-density plasma can be generated by condensing pulsed laser light and irradiating the target material. The size of this high-temperature and high-density plasma is usually 1 mm or less, from which a huge number of photons having a quantum energy of 50 eV to several keV are emitted within a time of several ns to several tens of ns. The light intensity reaches 10 17 photons / s / 2π. The emission spectral intensity has its characteristics depending on the target material, and the lower one can be selected from 10eV (ultraviolet) depending on the application. By irradiating a soft X-ray photon beam 6 with a photon energy of 10 eV to 3 keV, phonons are locally excited in a non-thermal equilibrium state within the a-Si semiconductor film 3 and silicon atoms present at irregular positions It can be moved to a regular position.
本発明の方法では軟Ｘ線が大気中では吸収されて減衰するため、真空中で照射する。そのため、真空槽の光学窓よりレーザー光を導入し、集光レンズによって集光してターゲット材料を照射する。ターゲット材料は高温高密度のプラズマとなり、ほぼ点光源として高強度の軟Ｘ線を放射する。ターゲット材料を連続的に供給することによって連続運転の可能な励起光源７が実現できる。 In the method of the present invention, soft X-rays are absorbed and attenuated in the atmosphere, and hence irradiation is performed in a vacuum. For this reason, laser light is introduced from the optical window of the vacuum chamber and is condensed by a condensing lens to irradiate the target material. The target material becomes high-temperature and high-density plasma, and emits high-intensity soft X-rays as a point light source. By continuously supplying the target material, the excitation light source 7 capable of continuous operation can be realized.
軟Ｘ線光学系８は励起光源７から放出された軟Ｘ線光子ビーム６を効率よく伝送し、基板を照射する。 The soft X-ray optical system 8 efficiently transmits the soft X-ray photon beam 6 emitted from the excitation light source 7 and irradiates the substrate.
図４（b）は、中空ファイバー１３による軟Ｘ線光子ビームの伝送により、ミラーを使わない、柔軟な照射配置を可能とした装置の構成の実例を示す。励起光源７から放出された軟Ｘ線光子ビーム６を効率よく基板を照射するように、中空ファイバー１３で光子を集め、平行なビームに形成する機能をも持つ。 FIG. 4B shows an example of the configuration of an apparatus that enables a flexible irradiation arrangement without using a mirror by transmitting a soft X-ray photon beam through the hollow fiber 13. In order to efficiently irradiate the substrate with the soft X-ray photon beam 6 emitted from the excitation light source 7, the hollow fiber 13 collects the photons and forms a parallel beam.
基板は連続的に基板搬送系９によって、真空外より真空予備室経由で真空槽内に遠隔制御により搬送され、照射完了後真空外部に搬出される。また、制御系１０は、基板上で励起光の照射強度が一様、且つ必要な照射エネルギー・時間波形になるよう前記励起光源７、並びに前記基板搬送系９その他、に必要な制御を行う。 The substrate is continuously transferred by the substrate transfer system 9 from the outside of the vacuum via the vacuum preparatory chamber into the vacuum chamber by remote control, and is transferred outside the vacuum after completion of irradiation. The control system 10 performs necessary control for the excitation light source 7 and the substrate transport system 9 and others so that the irradiation intensity of the excitation light is uniform on the substrate and the required irradiation energy / time waveform is obtained.
本発明に係る半導体結晶膜の作製方法は、poly-Si薄膜をガラス上に作製するのに好適であり、液晶ディスプレイや有機LEDディスプレイの画素のスイッチングに使用される薄膜トランジスタの基板材料の製法として利用できる。
また、プラスチックフィルム等のいわゆる柔軟性基板上に直接的にpoly-Si薄膜を作製することができ、柔軟性基板へのディスプレイの製法として利用が期待できる。
The method for producing a semiconductor crystal film according to the present invention is suitable for producing a poly-Si thin film on glass, and is used as a method for producing a substrate material of a thin film transistor used for switching pixels of a liquid crystal display or an organic LED display. it can.
In addition, a poly-Si thin film can be directly produced on a so-called flexible substrate such as a plastic film, and can be expected to be used as a method for producing a display on a flexible substrate.
１ ガラス基板
２ プラスチック基板
３ 非晶質シリコン（a-Si）半導体膜
４ 溶融シリコン
５ 結晶化シリコン半導体膜
６ 軟X線光子ビーム
７ 励起光源
８ 軟X線光学系
９ 基板搬送系
１０ 制御系
１１ パルス繰り返しレーザー装置
１２ プラズマ
１３ 中空ファイバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Plastic substrate 3 Amorphous silicon (a-Si) semiconductor film 4 Molten silicon 5 Crystallized silicon semiconductor film 6 Soft X-ray photon beam 7 Excitation light source 8 Soft X-ray optical system 9 Substrate transport system 10 Control system 11 Pulse repetition laser device 12 Plasma 13 Hollow fiber
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