JP2008300617A - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの上昇を抑制しつつ、基板を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成する。
【解決手段】水素ガス３１を含み且つ非酸化性の処理雰囲気中で基板２上に形成された半導体膜３にレーザ光１を照射し、基板２の温度を融点以下に保持したまま、半導体膜３を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、半導体膜３を結晶化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体膜にレーザ光を照射することにより半導体膜を結晶化させるレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。

レーザアニールは、低融点ガラス（通常、無アルカリガラス）からなる基板上に形成されたアモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜にレーザ光を照射し、溶融及び凝固させて再結晶化させることにより多結晶半導体膜を形成する技術である。以下、アモルファスシリコン膜をａ−Ｓｉ膜という。結晶化したシリコン膜はａ−Ｓｉ膜に比べ電気的特性に優れているため、携帯電話やデジタルスチルカメラなどの高精細な表示が要求される液晶ディスプレイを駆動する薄膜トランジスタ（：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）に採用されている。

図４に、レーザアニールを実施した半導体膜の断面模式図を示す。図４において、ガラス基板１０１上に多結晶化した半導体膜１０２（多結晶シリコンなど）が形成されている。レーザアニールは、半導体膜１０２の溶融、凝固を伴うプロセスであるため、半導体膜１０２の表面に、溶融時と凝固時の体積密度の違いに起因したリッジ１０３と呼ばれる突起（凹凸）が形成される。このようなリッジ１０３は、下記非特許文献１によれば、表面粗さがＲａで約１０ｎｍ程度であるが、その上に形成する絶縁膜のステップカバレッジを悪化させ、層間ショートや層間電流リークの一因となり、製造歩留まりや製品の信頼性を劣化させる大きな問題となっている。また、ガラス基板１０１上に、ＴＦＴを駆動するための集積回路（マイクロプロセッサ）を形成する研究がなされているが、現状の粗さのままでは到底実現できない。

このような問題に鑑み、下記特許文献１では、レーザアニールで形成されたリッジを除去する技術が提案されている。この技術はガスクラスタービームを多結晶シリコン膜に照射してリッジを除去し、シリコン薄膜の表面を平坦化するというものである。
しかしながら、この技術によれば、リッジを除去するためのクラスタービーム装置が必要であり、トランジスタの製造コストを上昇させる要因となる。

一方、下記特許文献２、非特許文献２及び非特許文献３では、水素雰囲気中で１０００℃以上の熱処理をすることにより、シリコン基板の表面のシリコン原子のマイグレーションが促進されることが報告されている。
この方法は、基板がシリコンなど１０００℃以上の温度に耐えうる材料からなる場合では有効であるが、液晶用に用いられるガラス基板など融点が６００℃以下の基板に対しては使用することができない。

特開２００３−２１８０２８号公報 特表２００２−５４２６２２号公報 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２，Ｄｅｃ．７，２００６，ｐｐ．８６９−８７３ "シリコントレンチ構造微視変形の解析"，富士時報，Ｖｏｌ．７５，Ｎｏ．９ ２００２，ｐｐ４９７−５００ "Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｔｒｅｎｃｈ ｂｙ Ｈｙｄｏｒｏｇｅｎ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ"，ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．６，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０００，ｐｐ．１０３４−１０３９

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、製造コストの上昇を抑制しつつ、基板を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成することができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
本発明のレーザアニール方法は、水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気中で基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させることを特徴とする。

また、上記のレーザアニール方法において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む。
また、上記のレーザアニール方法において、前記半導体エッチングガスは、フッ素系、塩素系又は臭素系のガスである。
また、上記のレーザアニール方法において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜の融点における平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガスを含む。

また、上記のレーザアニール方法において、前記レーザ光は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ガラスレーザ、半導体レーザ又はＣＯ_２レーザの基本波又は高調波である。
また、上記のレーザアニール方法において、前記レーザ光は、パルス光又は連続光である。
また、上記のレーザアニール方法において、前記処理雰囲気における水素含有量は、０＜Ｈ_２≦１００％である。

また、本発明は、基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、該半導体膜を溶融及び凝固させることにより結晶化させるレーザアニール装置において、少なくとも前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分を覆う範囲に、水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気を供給するガス供給装置を備え、前記処理雰囲気中で前記半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させる、ことを特徴とする。

また、上記のレーザアニール装置において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む。
また、上記のレーザアニール装置において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜の融点における平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガスを含む。
また、上記のレーザアニール装置において、前記ガス供給装置は、前記半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を前記処理雰囲気で満たすチャンバーである。
また、上記のレーザアニール装置において、前記ガス供給装置は、前記収容空間内の処理雰囲気を強制対流させるファンを有する。

また、上記のレーザアニール装置において、前記ガス供給装置は、前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ前記処理雰囲気を供給するガス吹き付け装置である。

また、上記のレーザアニール装置において、前記レーザ光の光路上に、前記レーザ光を線状ビームに整形するビーム整形光学系を備え、該ビーム整形光学系は、前記線状ビームの長軸方向及び／又は短軸方向のエネルギー分布を均一化するホモジナイザを含む。

また、上記のレーザアニール装置において、前記ホモジナイザは、前記レーザ光を前記線状ビームの長軸方向及び／又は短軸方向に対応した方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイ又は導波路と、該シリンドリカルレンズアレイ又は導波路によって分割されたレーザ光を重ね合わせるコンデンサレンズとを有する。
また、上記のレーザアニール装置において、前記ホモジナイザは、回折光学素子を含む光学系である。

本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置によれば、半導体膜を１０００℃以上に加熱することにより半導体膜に接触する水素ガスによる表面エネルギーの増大作用が発揮され、半導体原子のマイグレーションが促進される。特にリッジが形成される部分は表面積が大きいため、他の部分より表面エネルギーが大きくなることにより、半導体原子の拡散（移動）が促進されて表面積を小さくする方向に作用する。したがって、表面のリッジの形成を抑制することができる。

また、上述した特許文献１の方法と異なり、クラスタービーム装置を必要としないので、製造コストの上昇を抑制することができる。
さらに、レーザ光の照射により半導体膜のみを加熱・溶融させる一方で、基板の温度は融点以下に保持されるので、基板を溶融させることなく、水素によるマイグレーションの効果を得ることができる。

また、半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む雰囲気中で、レーザアニールを実施すると、リッジが形成される部分は表面積が大きく表面エネルギーが大きいため、他の部分よりエッチングガスによる反応速度が高くなる、すなわちエッチング速度が高くなるので、全体として平滑化されるようにエッチングが進行する。したがって、エッチングガスを用いることにより、表面の平滑化がより促進される。

したがって、本発明によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、基板を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
このレーザアニール装置１０は、基板２上に形成された半導体膜３にレーザ光１を照射し、この半導体膜３を溶融及び凝固させることにより結晶化させるものである。本実施形態のレーザアニール装置もそうであるが、レーザアニールでは、通常、レーザ光１を線状ビームに整形し、この線状ビームを、基板２（半導体膜３）に対して線状ビームの短軸方向に相対的に移動させることにより、基板２上の半導体膜３に対してレーザ光１を走査する。

図１（Ａ）において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、線状ビームの長軸方向であり、図１（Ｂ）において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、線状ビームの短軸方向である。
図１（Ａ）では、短軸方向のみに作用する光学系は想像線（破線）で示されている。図１（Ｂ）では、長軸方向のみに作用する光学系は想像線で示されている。

このレーザアニール装置１０は、レーザ光１を発振するレーザ光源１２と、レーザ光源１２からのレーザ光１を整形して半導体膜３の表面において線状ビームに集光するビーム整形光学系１３と、基板２を載せる基板ステージ４とを備える。

本実施形態において、基板２はガラス基板（例えば無アルカリガラス）であり、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などの成膜法により上記ガラス基板上にＳｉＯ_２膜が成膜され、その上に非晶質の半導体膜３として例えばａ−Ｓｉ膜が成膜される。

レーザ光源１２の種類は特に限定されず、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ガラスレーザ、半導体レーザ、ＣＯ_２レーザ等を適用することができる。特に、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザなどの固体レーザは信頼性が高く、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。また、シリコン膜に対しては、３３０ｎｍ〜８００ｎｍの可視光領域において吸収係数が高いため、エキシマレーザの場合は基本波でよいが、上記のＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ガラスレーザの場合、第２又は第３高調波を用いるのがよい。またレーザ光１は、パルス光、連続光のいずれであってもよい。

ビーム整形光学系１３は、レーザ光源１２からのレーザ光１を長軸方向及び短軸方向に拡大するビームエキスパンダ１４、線状ビームの長軸方向のエネルギー分布を均一化する長軸用ホモジナイザ１９、及び線状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸用ホモジナイザ２５を備えている。

一構成例として示したビームエキスパンダ１４は、凸球面レンズ１５と、短軸方向に作用する短軸用シリンドリカルレンズ１６と、長軸方向に作用する長軸用シリンドリカルレンズ１７とからなる。この構成のビームエキスパンダ１４では、長軸方向と短軸方向の拡大率を別々に設定することができる。なお、ビームエキスパンダ１４は他の構成であってもよく、例えば、凹球面レンズと凸球面レンズとを組み合わせたものであってもよい。

図１（Ａ）に示すように、長軸用ホモジナイザ１９は、入射するレーザ光１を長軸方向に複数に分割する長軸用シリンドリカルレンズアレイ２０と、長軸方向に複数に分割されたレーザ光１を長軸方向に重ね合わせる長軸用コンデンサレンズ２２とからなる。なお、長軸用コンデンサレンズ２２と基板２との間の光路には反射ミラー２３が配置されており、長軸用コンデンサレンズ２２からの出射光が基板２の方向へ反射されるようになっている。

短軸用ホモジナイザ２５は、入射するレーザ光１を短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６と、短軸方向に複数に分割されたレーザ光１を短軸方向に重ね合わせる短軸用コンデンサレンズ２９と、短軸用コンデンサレンズ２９からの出射光を半導体膜３の表面に投影する投影レンズ３０とを有する。

上記のように構成されたビーム整形光学系１３により、レーザ光源から出射されたレーザ光１が線状ビームに整形されて半導体膜３に照射される。
半導体膜３に照射される線状ビームの長軸方向の長さは、例えば数１０ｍｍとすることができ、短軸方向の長さは、例えば数１０μｍとすることができる。
また、レーザ光１は、長軸用ホモジナイザ１９により線状ビームの長軸方向のエネルギー分布が均一化され、短軸用ホモジナイザ２５により線状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化される。なお、短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６を省略し、長軸方向のエネルギー分布のみを均一化する構成であってもよい。

基板２は、基板ステージ４により保持され線状ビームの短軸方向に搬送される。基板ステージ４の移動により基板２上の半導体膜３に対して線状ビームを短軸方向に相対的に走査することができる。
なお、上記とは逆に、基板２の位置を固定し、レーザ光１の照射位置を移動させることにより、上記のレーザ光１の走査を行なうようにしてもよい。

基板ステージ４は、図示しない加熱手段により所定温度に加熱される。このとき、基板２の融点を超えない温度で加熱される。こうすることで、基板２が溶融することなく安定してレーザアニールを行うことができる。例えば、基板２が無アルカリガラスの場合、融点は約６００℃であるので、基板ステージ５は６００℃を超えない温度に加熱される。

図１に示すように、レーザアニール装置１０は、さらに、少なくとも半導体膜３におけるレーザ光１の照射部分を覆う範囲に、水素ガス３１を含み且つ非酸化性の処理雰囲気を供給するガス供給装置４０を備える。
本実施形態において、上記のガス供給装置４０は、半導体膜３が形成された基板２を内部に収容し基板２の収容空間を上記の処理雰囲気で満たすチャンバー４０Ａである。したがって、図示しない水素ガス導入手段によって、チャンバー４０Ａの内部に水素ガス３１が導入されるようになっている。
なお、チャンバー４０Ａには、レーザ光１を透過させるための透過窓４１が設けられている。また、チャンバー４０Ａには、内部のガスを排気する排気ポンプ４３が接続されている。

上記の処理雰囲気における水素含有量は、０＜Ｈ_２≦１００％の範囲とすることができる。ただし、水素含有量を爆発限界（５％）以上とした場合、チャンバー４０Ａを外部からの空気の侵入をほぼ完全に遮断するよう気密性の高い構造とする必要がある。そこで、爆発限界（５％）未満とするために、図１に示すように、チャンバー４０Ａの内部に不活性ガス３２（窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスなど）を導入することが好ましい。この不活性ガス３２は、アニール中における半導体膜３の表面の酸化を防止する役割もある。
ここで、上記の「水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気」は、水素を不活性ガス３２で希釈した雰囲気のみならず、水素含有量１００％の雰囲気をも含む概念である。

本発明のレーザアニール方法は、上記の如き構成されたレーザアニール装置１０を用いて実施することができる。すなわち本発明のレーザアニール方法は、上記の処理雰囲気中で半導体膜３にレーザ光１を照射し、基板２の温度を融点以下に保持したまま、半導体膜３を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、半導体膜３を結晶化させる、ことを特徴とする。

このように、半導体膜３を１０００℃以上に加熱することにより半導体膜３に接触する水素ガス３１による表面エネルギーの増大作用が発揮され、半導体原子のマイグレーションが促進される。特にリッジが形成される部分は表面積が大きいため、他の部分より表面エネルギーが大きくなることにより、半導体原子の拡散（移動）が促進されて表面積を小さくする方向に作用する。したがって、表面のリッジの形成を抑制することができる。

また、上述した特許文献１の方法と異なり、クラスタービーム装置を必要としないので、製造コストの上昇を抑制することができる。
さらに、レーザ光１の照射により半導体膜３のみを加熱・溶融させる一方で、基板２の温度は融点以下に保持されるので、基板２を溶融させることなく、水素によるマイグレーションの効果を得ることができる。

上記の処理雰囲気は、図１に示すように、半導体膜３をエッチングする半導体エッチングガス３３を含むことが好ましい。半導体エッチングガス３３は、図示しないエッチングガス導入手段により、チャンバー４０Ａの内部に導入される。半導体エッチングガス３３は、フッ素系、塩素系又は臭素系のものを使用することができる。
半導体エッチングガス３３を含む雰囲気中で、レーザアニールを実施すると、リッジが形成される部分は表面積が大きく表面エネルギーが大きいため、他の部分よりエッチングガスによる反応速度が高くなる、すなわちエッチング速度が高くなるので、全体として平滑化されるようにエッチングが進行する。したがって、半導体エッチングガス３３を用いることにより、表面の平滑化がより促進される。

上記の半導体膜３は、ＧａＮ（窒化ガリウム）などの化合物半導体からなるものであってもよいが、例えば大気圧下でのＧａＮの融点は約２２２０℃以上であり、不活性ガス３２として通常用いられる窒素ガス中での平衡蒸気圧は約６ＧＰａ（約６万気圧）以上に達するため、低圧の窒素雰囲気下ではＧａＮは溶融状態ではＧａ金属と窒素ガスに分解してしまう。これに対し、アンモニア雰囲気中でのＧａＮの平衡蒸気圧は１気圧以下であるので、大気圧下で溶融する温度まで加熱しても、ＧａＮが分解することがない。

したがって、半導体膜３が、不活性ガス３２雰囲気中での融点における平衡蒸気圧が高い化合物半導体の場合、図１に示すように、上記の処理雰囲気は、平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガス３４を含むことが好ましい。低蒸気圧ガス３４は、図示しない低蒸気圧ガス導入手段により、チャンバー４０Ａの内部に導入される。
このように処理雰囲気に低蒸気圧ガス３４を添加することにより、半導体膜３を分解させること無く溶融させることができる。低蒸気圧ガス３４としては、化合物半導体がＧａＮの場合はアンモニアやヒドラジン、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の場合はＡｓＨ_３、ＩｎＰ（インジウムリン）の場合はＰＨ_３を用いることができる。

水素ガス３１を不活性ガス３２で希釈する場合、水素ガス３１は不活性ガス３２より軽いため、チャンバー４０Ａの上部に滞留し、水素を半導体膜３の表面にうまく供給できない可能性がある。したがって、図１に示すように、チャンバー４０Ａの内部に、処理雰囲気を強制対流させるファン３５を設けることが好ましい。この構成により、水素ガス３１を半導体膜３の表面に効果的に供給することができる。

また、ガス供給装置４０は、図２に示すガス吹き付け装置４０Ｂであってもよい。このガス吹き付け装置４０Ｂは、半導体膜３におけるレーザ光１の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ処理雰囲気４７を供給するものであり、基板２に平行に近接対向する下面４４を有しこの下面４４と基板２との間に処理雰囲気４７の流路を形成するとともにレーザ光１を透過させる透過窓４５を有する平行対向体４６と、線状ビームの長軸方向に流量が均一化された処理雰囲気４７をレーザ光１の照射部分からビーム短軸方向に所定間隔を置いた位置において基板２の表面に向けて噴射するガス噴射手段４８と、を備える。上記の処理雰囲気４７は、（１）水素１００％ガス、（２）水素ガス３１を不活性ガス３２で希釈したガス、（３）水素ガス３１を不活性ガス３２で希釈しさらに半導体エッチングガス３３を添加したガス、又は（４）前記（１）〜（３）のガスにさらに上記の低蒸気圧ガス３４を添加したガス、のいずれかである。

上記のガス吹き付け装置４０Ｂにより、レーザ光１の照射部分に雰囲気ガスを供給することができるので、図１に示したようなチャンバー４０Ａを設ける必要が無く、チャンバー４０Ａ内の排気や処理雰囲気に置換する時間が不要となるので、装置の稼働率を向上させることができる。また、処理雰囲気４７を効率的かつ確実に半導体膜３上のレーザ光１の照射部分に供給することができる。

なお、ガス吹き付け装置４０Ｂは、図２に示した構成に限定されず、レーザ光１の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する機能を有する範囲で他の構成であってもよい。例えば、特許第３５０２９８１号公報の図２や図４に示された構成であってもよい。

［第２実施形態］
図３に、本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
この第２実施形態において、長軸用ホモジナイザ１９は、入射するレーザ光１を長軸方向に複数に分割する長軸用導波路３８と、長軸方向に複数に分割されたレーザ光１を長軸方向に重ね合わせる長軸用コンデンサレンズ２２とからなる。また、長軸用導波路３８の入側には、レーザ光１を長軸用導波路３８に導く導波路導入用レンズ３７が配置されている。本実施形態の長軸用ホモジナイザ１９によっても線状ビームの長軸方向のエネルギー分布を均一化することができる。なお、短軸用ホモジナイザ２５についても、導波路を用いて短軸方向のエネルギー分布を均一化する構成としてもよい。本実施形態の他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態によっても、水素ガス３１を含み且つ非酸化性の処理雰囲気中で半導体膜３にレーザ光１を照射し、基板２の温度を融点以下に保持したまま、半導体膜３を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、半導体膜３を結晶化させるレーザアニール方法を実施することができる。
したがって、製造コストの上昇を抑制しつつ、基板２を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成することができる。

なお、長軸用ホモジナイザ１９と短軸用ホモジナイザ２５は、上述した第１実施形態及び第２実施形態において説明したものに限られず、その他周知の光学系を用いてエネルギー分布を均一化する手段であってもよい。例えば、長軸用ホモジナイザ１９／及び又は短軸用ホモジナイザ２５は、回折光学素子を含む光学系であってもよい。回折光学素子についての詳細な説明は省略するが、例えば、特開２００５−２１７２０９号公報などに開示されている。回折光学素子は、石英などの基板にフォトエッチング工程などにより微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面（基板表面）で所望のエネルギー分布が得られるように作製する。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。 ガス供給装置の別の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。 半導体膜の表面に形成されるリッジについて説明する図である。

符号の説明

１ レーザ光
２ 基板
３ 半導体膜
４ 基板ステージ
１０ レーザアニール装置
１２ レーザ光源
１３ ビーム整形光学系
１４ ビームエキスパンダ
１５ 凸球面レンズ
１６ 短軸用シリンドリカルレンズ
１７ 長軸用シリンドリカルレンズ
１９ 長軸用ホモジナイザ
２０ 長軸用シリンドリカルレンズアレイ
２２ 長軸用コンデンサレンズ
２５ 短軸用ホモジナイザ
２６ 短軸用シリンドリカルレンズアレイ
２９ 短軸用コンデンサレンズ
３０ 投影レンズ
３１ 水素ガス
３２ 不活性ガス
３３ 半導体エッチングガス
３４ 低蒸気圧ガス
３５ ファン
４０ ガス供給装置
４０Ａ チャンバー
４０Ｂ ガス吹き付け装置
４１ 透過窓
４３ 排気ポンプ
４４ 下面
４５ 透過窓
４６ 平行対向体
４７ 処理雰囲気
４８ ガス噴射手段

Claims (16)

1. 水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気中で基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させることを特徴とするレーザアニール方法。
2. 前記処理雰囲気は、前記半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む請求項１記載のレーザアニール方法。
3. 前記半導体エッチングガスは、フッ素系、塩素系又は臭素系のガスである請求項２記載のレーザアニール方法。
4. 前記処理雰囲気は、前記半導体膜の融点における平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガスを含む請求項１記載のレーザアニール方法。
5. 前記レーザ光は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ガラスレーザ、半導体レーザ又はＣＯ_２レーザの基本波又は高調波である、請求項１記載のレーザアニール方法。
6. 前記レーザ光は、パルス光又は連続光である請求項１記載のレーザアニール方法。
7. 前記処理雰囲気における水素含有量は、０＜Ｈ_２≦１００％である請求項１記載のレーザアニール方法。
8. 基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、該半導体膜を溶融及び凝固させることにより結晶化させるレーザアニール装置において、
   少なくとも前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分を覆う範囲に、水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気を供給するガス供給装置を備え、
   前記処理雰囲気中で前記半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を１０００℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させる、ことを特徴とするレーザアニール装置。
9. 前記処理雰囲気は、前記半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む請求項８記載のレーザアニール装置。
10. 前記処理雰囲気は、前記半導体膜の融点における平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガスを含む請求項８記載のレーザアニール装置。
11. 前記ガス供給装置は、前記半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を前記処理雰囲気で満たすチャンバーである請求項８記載のレーザアニール装置。
12. 前記ガス供給装置は、前記収容空間内の処理雰囲気を強制対流させるファンを有する請求項１１記載のレーザアニール装置。
13. 前記ガス供給装置は、前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ前記処理雰囲気を供給するガス吹き付け装置である請求項８記載のレーザアニール装置。
14. 前記レーザ光の光路上に、前記レーザ光を線状ビームに整形するビーム整形光学系を備え、該ビーム整形光学系は、前記線状ビームの長軸方向及び／又は短軸方向のエネルギー分布を均一化するホモジナイザを含む、請求項８記載のレーザアニール装置。
15. 前記ホモジナイザは、前記レーザ光を前記線状ビームの長軸方向及び／又は短軸方向に対応した方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイ又は導波路と、該シリンドリカルレンズアレイ又は導波路によって分割されたレーザ光を重ね合わせるコンデンサレンズとを有する、請求項１４記載のレーザアニール装置。
16. 前記ホモジナイザは、回折光学素子を含む光学系である、請求項１４記載のレーザアニール装置。

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