JP3847172B2 - 結晶成長方法及びレーザアニール装置 - Google Patents
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Description
【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12b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26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42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42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17b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61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】
12 Q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
32 Yステージ
33 X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 (6)
- (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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
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