JP4408668B2 - 薄膜半導体の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
(薄膜半導体の製造装置の概要)
図6を参照して、本発明に基づく実施の形態1における薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置について説明する。このレーザアニール装置は、パルスレーザ光源1を備える。パルスレーザ光源1は、可視域に属する波長を有する第1のパルスレーザ光2を発生させるためのものである。第1のパルスレーザ光2は、具体的には発振波長515nmのアルゴンパルスレーザ光である。被照射物9は図1に示したものであり、レーザ光が照射されることにより上面のアモルファスシリコン膜203が部分的に溶融し、再結晶化し、多結晶ポリシリコン膜を形成する。
図7〜図16を参照して、本発明に基づく実施の形態1における薄膜半導体の製造方法について説明する。
本実施の形態における製造装置では、図8(a),(b)に示すように、第1のパルスレーザー光2を線形状に集光した第1のパルスレーザー光22と、第2のパルスレーザー光6を線形状に集光した第2のパルスレーザー光23とを被照射物9に対して照射する仕組みとなっている。ただし、この製造装置は、被照射物9に対して可視域に波長を持つ第1のパルスレーザー光22を照射すると同時に、被照射物9の進行方向後ろ側のプロファイル24が急勾配となる部分に、紫外域に波長をもつ第2のパルスレーザ光6を線形状に集光した第2のパルスレーザ光23をほぼ同時に照射できる構成となっている。図8(a)において矢印71は被照射物9が実際に移動する向きを示し、矢印34は、第1のパルスレーザー光22および第2のパルスレーザー光23が被照射物9の表面において相対的にスキャンする向きを示す。
図8(a)におけるプロファイル24,25を拡大したところを図15(a)に示す。このようにプロファイル24,25が重なるようにして照射されることによって、図15(b)に示すように、プロファイル24単独の場合(図9(a)〜(c)参照)に比べて広い範囲で溶融し、溶融部26が形成される。このようなプロファイル24,25の重ね合わせでスキャンすることによって、図16(a),(b)に示すように、被照射物9の進行方向後ろ側(図16(a),(b)における右側)の急勾配部分での結晶化は起こらず、第2のパルスレーザ光を照射した部分はアモルファス化することがわかった。さらに被照射物9に対するスキャンが進行するにつれて、アモルファス化した部分に第1のパルスレーザー光22の被照射物9の進行方向前側の急勾配部分が照射され、非常に均一な横方向成長結晶31が形成された。こうしてスキャンを行なうことによって、所望の領域にきわめて良好な多結晶シリコン膜205(図2参照)を形成することができた。
図17を参照して、本発明に基づく実施の形態2における薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置について説明する。図17は、この薄膜半導体の製造装置においてパルスレーザ光源1として用いられる内部波長変換型固体レーザ装置101の概念図である。本実施の形態における薄膜半導体の製造装置では、内部波長変換型固体レーザ装置101が、パルスレーザ光源1として備わっているという点以外では、実施の形態1におけるもの(図6参照)と同様である。実施の形態1と重複する部分の説明は繰返さない。
次に動作を説明する。まず、半導体レーザ116から出射する励起光を固体レーザ媒質115の光軸側方から固体レーザ媒質115に照射して固体レーザ媒質115を励起する。励起された固体レーザ媒質115中では、励起光の波長、活性媒質の原子構造に応じた特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反転分布は自然放出および誘導放出により減少するが、共振器内に配置したQスイッチ118による光損失が大きい状態では、共振器内の光強度は増大し得ず、誘導放出による反転分布の減少は無視することができる。したがって、励起による反転分布増加量が自然放出による反転分布減少量を上回る限り反転分布は増加し、高いエネルギーが固体レーザ媒質115内に蓄積される。固体レーザ媒質115内に高いエネルギーが蓄積された状態で、Qスイッチ118による光損失量を急速に低下させると、固体レーザ媒質115内で発生した自然放出光は、第1の端部ミラー120と第2の端部ミラー121とにより共振器内に閉じ込められる。さらに、固体レーザ媒質115の誘導放出による増幅作用を被り、共振器内の基本波レーザ光117の光強度は急速に増加する。誘導放出の発生割合は、固体レーザ媒質115を通過する光強度に比例するため、光強度の高い基本波レーザ光117が固体レーザ媒質115中を通過する際には誘導放出が顕著となり、反転分布はしきい値以下にまで減少してしまう。この結果、共振器内の基本波レーザ光117は発振を停止する。上述のように、共振器内にQスイッチ118を設置し、共振器内の光損失を増減することにより、ピーク光強度の高いパルス光を発生することができる。特に本実施の形態においては、基本波レーザ光117を第1の端部ミラー120および第2の端部ミラー121から構成される共振器内に閉じ込める構成としているので、共振器内の基本波レーザ光117の光強度は非常に高くなる。
本実施の形態では、共振器内に第2高調波発生用非線形光学素子119を配置し、かつ第1の端部ミラー120と第2の端部ミラー121によって基本波レーザ光117を共振器内に閉じ込めているので、非常にピーク光強度の高い基本波レーザ光117を第2高調波発生用非線形光学素子119へと入射させることができる。第2高調波発生用非線形光学素子119において、基本波レーザ光117が第2高調波へ変換される割合は、理論的には基本波レーザ光117の光強度の2乗に比例する。この実施の形態に示すような波長変換手段を共振器の光路内に有する共振器内部波長変換構成によれば、高強度の基本波レーザ光117を第2高調波発生用非線形光学素子119に入射させ、効率良く第2高調波光を発生させることができる。
(構成)
図18を参照して、本発明に基づく実施の形態3における薄膜半導体の製造装置であるレーザアニール装置について説明する。この薄膜半導体の製造装置では、紫外域に波長を有する第2のパルスレーザ光を得る方法として、第1のパルスレーザ光2を発生させるパルスレーザ光源1から高調波を取り出すのではなく、パルスレーザ光源1とは別の独立したパルスレーザ光源51を備えている。パルスレーザ光源51は、紫外レーザ光源であり、波長308nmのXeClエキシマレーザである。パルスレーザ光源51から出射した第2のパルスレーザ光6を第1のパルスレーザ光2に対して同軸に重ね合わせるためにパルスレーザ光源1と集光照射光学系8の間にダイクロイックミラー52を設置し、第1のパルスレーザ光2はほとんどロス無く透過させ、かつ第2のパルスレーザ光6を効率良く反射させて第1のパルスレーザ光2の光軸と第2のパルスレーザ光6の光軸とを一致させている。また、これら2つのレーザ光源の発振タイミングはタイミングコントローラにより同期させ、概ね同タイミングで被照射物9に照射されるようにしている。
本実施の形態のように第1,第2のパルスレーザの光源が別々に存在していても、実施の形態1と同様の照射を行ない、同様の効果を得ることができる。
(構成)
図19を参照して、本発明に基づく実施の形態4における薄膜半導体の製造装置について説明する。実施の形態3における薄膜半導体の製造装置では、第1のパルスレーザ光2と第2のパルスレーザ光6とをダイクロイックミラー52で同じ光軸に合わせたが、実施の形態4では、ダイクロイックミラー52から出射するそれぞれの光軸の向きにわずかに差をつけている。この角度の差は、被照射物9の表面で第2のパルスレーザ光の照射領域が、第1のパルスレーザ光の照射領域に概ね半分重なり、被照射物9の進行方向後ろ側に位置するような設定となっている。
この場合も実施の形態1,3と同様の照射を行なうことができる。本実施の形態によってもこれまでの実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、集光照射光学系8のプリズム80が不要となるので、薄膜半導体の製造装置を安価に実現できる。
図20(a)〜(i)を参照して、本発明に基づく実施の形態5における薄膜半導体の製造装置について説明する。実施の形態1〜4における薄膜半導体の製造装置では、第1のパルスレーザ光と第2のパルスレーザ光とをそれぞれ線形状に集光した状態で概ね同時に被照射物9に向けて照射したが、本発明の要点は、第1のパルスレーザ光のプロファイルのうち被照射物の進行方向後ろ側の急勾配の部分で形成される横方向成長の結晶部分をアモルファス化することにある。したがって、第1,第2のパルスレーザ光を必ずしも同時に照射する必要はなく、被照射物の進行方向後ろ側の急勾配の部分で横方向成長結晶が形成された後、被照射物の進行方向前側の急勾配の部分で照射されるまでの間に、第2のパルスレーザ光でこの横方向成長結晶部分をアモルファス化しても同様の効果が得られる。
本実施の形態のように第1,第2のパルスレーザを同時でなく別々のタイミングで照射することによっても、これまでの実施の形態と同様の効果を得ることができる。
Claims (7)
- 可視光パルスレーザを被照射物の表面に線形状かつ幅方向にほぼガウス分布状の強度分布を有するように集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射して前記被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含み、
前記多結晶化工程は、前記可視光パルスレーザが第1の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第1の照射領域の幅方向において結晶成長が持続する側と反対の側に部分的に重なり、長手方向には前記第1の照射領域より長い第2の照射領域に、幅方向および長手方向にほぼトップフラット状の強度分布を有する紫外光パルスレーザを被照射物がアモルファス化する強度で照射する、薄膜半導体の製造方法。 - 可視光パルスレーザを被照射物の表面に線形状かつ幅方向にほぼガウス分布状の強度分布を有するように集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射して前記被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含み、
前記多結晶化工程は、前記被照射物を一方向に相対的に移動させながら、前記可視光パルスレーザが第1の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第1の照射領域に部分的に重なり、前記第1の照射領域に比べて前記被照射物の進行方向後ろ側に位置する前記第2の照射領域に、幅方向および長手方向にほぼトップフラット状の強度分布を有する紫外光パルスレーザを被照射物がアモルファス化する強度で照射する、薄膜半導体の製造方法。 - 前記可視光パルスレーザとしてNd:YAGの第2高調波を用い、前記紫外光パルスレーザとしてNd:YAGの第2高調波よりもさらに波長の短い高調波を用いる、請求項1または2に記載の薄膜半導体の製造方法。
- 被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成するために、可視光パルスレーザを前記被照射物の表面に線形状かつ幅方向にほぼガウス分布状の強度分布を有するように集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位
置をずらしながら繰返し照射する可視光パルスレーザ照射手段と、
前記可視光パルスレーザが第1の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第1の照射領域の幅方向において結晶成長が持続する側と反対の側に部分的に重なり、長手方向には前記第1の照射領域より長い第2の照射領域に、幅方向および長手方向にほぼトップフラット状の強度分布を有する紫外光パルスレーザを被照射物がアモルファス化する強度で照射する紫外光パルスレーザ照射手段とを備える、薄膜半導体の製造装置。 - 被照射物の表面に多結晶シリコン膜を形成するために、可視光パルスレーザを前記被照射物の表面に線形状かつ幅方向にほぼガウス分布状の強度分布を有するように集光して、この線形状の照射領域の幅方向に次のタイミングの照射領域を重ね合わせるようにして位置をずらしながら繰返し照射する可視光パルスレーザ照射手段と、
前記被照射物を一方向に相対的に移動させる被照射物移動手段と、
前記可視光パルスレーザが第1の照射領域に照射されている間または照射される前に前記第1の照射領域に部分的に重なる第2の照射領域に、幅方向および長手方向にほぼトップフラット状の強度分布を有する紫外光パルスレーザを被照射物がアモルファス化する強度で照射する紫外光パルスレーザ照射手段と、
前記第2の照射領域が前記第1の照射領域に比べて前記被照射物の進行方向後ろ側に位置するように設定する照射領域差別化手段とを備える、薄膜半導体の製造装置。 - 前記可視光パルスレーザとしてNd:YAGの第2高調波を照射し、前記紫外光パルスレーザとしてNd:YAGの第2高調波よりもさらに波長の短い高調波を照射することができる、請求項4または5に記載の薄膜半導体の製造装置。
- 前記可視光パルスレーザと前記紫外光パルスレーザとが同一の光軸上を進むように前記可視光パルスレーザおよび前記紫外光パルスレーザを伝送するレーザ伝送部と、
前記レーザ伝送部において前記可視光パルスレーザと前記紫外光パルスレーザとの出射角度に差をつけるために前記光軸を挟んで互いに対称な位置関係で配置されたプリズムとを備える、請求項4から6のいずれかに記載の薄膜半導体の製造装置。
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