JPH06291038A

JPH06291038A - 半導体材料製造装置

Info

Publication number: JPH06291038A
Application number: JP9892193A
Authority: JP
Inventors: Yukito Sato; 幸人佐藤
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】粒界位置制御された溶融再結晶化膜を高能率
で形成可能である。【構成】レーザ光源３からのＳ偏光のビームＢＭ₀が
ビ−ムスプリッタ５ａに入射すると、反射光（Ｓ偏光）
ＢＭ₁と透過光（Ｓ偏光）ＢＭ₂とに分割される。透過光
ＢＭ₂は、１／２波長板６ａを通過し、Ｐ偏光のビ−ム
となった後、ビ−ムスプリッタ５ｂで、反射光（Ｐ偏
光）ＢＭ₃と透過光（Ｐ偏光）ＢＭ₄とに分割される。こ
のようにして、ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，５ｃ，５
ｄからは、Ｓ偏光ＢＭ₁，Ｐ偏光ＢＭ₃，Ｓ偏光ＢＭ₅，
Ｐ偏光ＢＭ₇が反射光として得られ、全反射ミラ−７
ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，集光レンズ８ａ，８ｂ，８ｃ，
８ｄを介し、絶縁性基板１上の半導体材料２に直線状の
配列で入射する。半導体材料２を矢印Ａの方向に走査す
ることで、これを連続的に溶融し、再結晶化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶あるいは非晶質
の半導体材料を溶融，再結晶化する半導体材料製造装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、絶縁性材料上に単結晶薄膜を形成
してＳＯＩ構造の半導体装置とするような場合に、レー
ザビーム溶融再結晶化法が知られている。このレーザ溶
融再結晶法は、例えばＳＯＩ構造の半導体装置を作製す
るのに用いられる場合に、図６（ａ）に示すように絶縁
性基板２０３上に形成された多結晶あるいは非晶質シリ
コン薄膜２０１をレーザビームＢＭのエネルギーで加
熱，溶融し、レーザビームあるいは基板を相対的に移動
させることによって、溶融領域を矢印Ａで示すように移
動させて溶融シリコンを冷却固化し、再結晶化シリコン
２０２とするようになっている。このレーザ溶融再結晶
化法は、ランプ光，ワイヤー状のカーボンヒーター，あ
るいは高周波加熱カーボンサセプター等を利用した帯域
溶融再結晶化法のように、基板全体をシリコンの融点近
くまで加熱する必要がないので、製造装置の規模を小型
化することができ、また、高温加熱による基板変形の問
題もない。また、帯域溶融再結晶化法は、多種熱源から
の輻射加熱を主に用いているため、熱源と基板との距離
によって、溶融，再結晶化の様子が大きく異なるのに対
し、レーザビーム溶融再結晶化法では、レーザ光の吸収
による熱の発生を利用しているため基板上の温度プロフ
ァイルが基板とレーザ光源との距離に影響されにくく、
また、レーザビームはレンズミラー等の各種光学系を用
いて任意の位置から基板まで導くことができるので、レ
ーザビームのコヒーレンシーをも容易に確保することが
でき、従って、帯域溶融再結晶化に比べて、半導体材料
の溶融，再結晶化を安定してかつ確実に効率良く行なう
ことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
ビーム溶融再結晶化法を利用している従来の半導体材料
製造装置では、半導体材料（例えばシリコン）の表面に
対するレーザビームの強度分布は、集光性の良さから、
通常、図７に示すようにガウス型となっている。このた
め、半導体材料（シリコン）の溶融領域付近の温度分布
は、ガウス型のビーム強度を反映して、図６（ｂ）に示
すように、ビーム走査方向に見て、中央部が最も高く、
周辺になるに従い低くなる。このような状況下では溶融
シリコンの再結晶化は、溶融部の周辺から多数同時に進
行するため、再結晶化シリコンは、図８に示すように多
結晶体となる場合が多く、結晶粒界位置の制御を良好に
行なうことができないという問題がある。

【０００４】また、レーザビーム溶融再結晶化法では、
一般に加熱領域がレーザビームＢＭの径により制限され
るため、処理能力に限界があり、スループットを向上さ
せることができないという問題もあり、結晶粒界位置の
制御と処理能力の向上とを同時に満足させることが、レ
ーザビーム溶融再結晶化法を実際に用いる上で必要不可
欠となる。

【０００５】結晶粒界位置の制御と処理能力の向上とを
同時に満足するためには、多結晶あるいは非晶質シリコ
ン層を溶融する際に、図９（ａ）に示すように、直線状
の溶融領域を３００形成し、この溶融領域の温度分布に
図９（ｂ）に示すような周期性をもたせることが有効で
ある。これにより、図９（ｃ）に示すように、単結晶領
域Ｓと位置制御された結晶粒界Ｃとが、交互に周期的に
形成された溶融再結晶化膜を高能率で得ることができ
る。

【０００６】図９（ａ）乃至（ｃ）に示すような工程を
実現するのに、特開昭５９−１２１８２２号に開示され
ているような手法が提案されている。この手法は、図１
０に示すように、レ−ザビ−ムＢＭを厚さＴの第１の複
屈折板５１，第１の１/４波長板５２，厚さ２Ｔの第２
の複屈折板５３，第２の１/４波長板５４，厚さ４Ｔの
第３の複屈折板５５に順次に透過させて、図１１（ａ）
乃至（ｃ）に示すようなレ−ザビ−ムの強度分布を得る
ことを意図している。すなわち、先ず、単独のレ−ザビ
−ムＢＭが第１の複屈折板５１を透過すると分割され、
直線偏光となったレ−ザビ−ムは１/４波長板５２を透
過して円偏光となる。この段階では、レ−ザビ−ムの強
度分布は、図１１（ａ）のように２つのピ−クを有し、
これら２つのピ−クの間隔Ｌは第１の複屈折板５１の厚
さＴによって決定される。また、このレ−ザビ−ムは、
さらに第２の複屈折板５３を透過するとさらに分割さ
れ、直線偏光となったレ−ザビ−ムは１/４波長板５４
を透過して円偏光となる。この段階では、レ−ザビ−ム
の強度分布は、図１１（ｂ）のように４つのピ−クを有
し、これら４つのピ−クの間隔はいずれもＬとなる。さ
らに、第３の複屈折板５５を透過するとさらに分割さ
れ、レ−ザビ−ムの強度分布は、図１１（ｃ）のように
８つのピ−クを有するものとなる。

【０００７】このように多数の複屈折板を組み合わせて
使うことにより、多数のピ−クを有する幅広のレ−ザビ
−ム強度分布（多峰型強度分布）が得られ、多数のレ−
ザ光源を用いることなく、また基板に例えば反射防止膜
などの特別な加工をせずに、広い面積を１回の走査で溶
融，再結晶化し、広い単結晶化領域を得ることができ
る。

【０００８】しかしながら、この手法では、幅広のビ−
ムを形成するために、複屈折板の枚数とその厚さを増加
させると、個々のビ−ム強度にばらつきが生じ、また、
各ビ−ムを直線状に等間隔で整列させるためのビ−ムア
ライメントが難しく、実際上、複屈折板を多数設けるこ
とはできない。従って、実用上使用に耐えるレ−ザビ−
ム強度分布の幅には限界があり、より幅広の良好なレ−
ザビ−ム強度分布を得ることができないため、処理能力
を著しく向上させるには限界があった。

【０００９】本発明は、粒界位置制御された溶融再結晶
化膜を高能率で形成することの可能な半導体材料製造装
置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明に係る半導
体材料製造装置の構成例を示す図である。図１を参照す
ると、この半導体材料製造装置は、レーザビームＢＭ₀
を出射する単独のレーザ光源３と、レーザ光源３からの
レーザビームＢＭ₀を複数のビームに分割し、各ビ−ム
を絶縁性基板１上の多結晶あるいは非晶質の半導体材料
（例えば多結晶あるいは非晶質シリコン薄膜）２に所定
の間隔で入射させる分割入射装置４とを有している。こ
こで、レーザ光源３としては、絶縁性基板１上の多結晶
あるいは非晶質の半導体材料２を溶融することの可能な
出力を有するＣＯ₂レーザ，Ａｒレーザ，ＹＡＧレーザ
等が用いられる。

【００１１】また、分割入射装置４は、上記複数のビ−
ムを同じ光強度で半導体材料２に入射させるようになっ
ている。さらに、この分割入射装置４は、レ−ザ光源３
からのレ−ザビ−ムを２種類の偏光状態のいずれかを有
する複数のビ−ムに分割し、一の種類の偏光状態をもつ
ビ−ムと他の種類の偏光状態をもつビ−ムとを交互にか
つ所定の間隔で直線状に並べて前記半導体材料に入射さ
せるようになっている。

【００１２】図１の例では、分割入射装置４は、ビ−ム
スプリッタ５と、１／２波長板６と、全反射ミラ−７
と、集光レンズ８とが１つの組となって構成されてい
る。すなわち、ビ−ムスプリッタ５ａ，１／２波長板６
ａ，ビ−ムスプリッタ５ｂ，１／２波長板６ｂ，ビ−ム
スプリッタ５ｃ，１／２波長板６ｃ，ビ−ムスプリッタ
（あるいは全反射ミラー）５ｄが交互に所定の間隔で配
置され、また、各ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，５ｃ，
５ｄで分割された各ビ−ムをそれぞれ全反射するビ−ム
アライメント用の全反射ミラ−７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ
が設けられ、また、全反射ミラ−７ａ，７ｂ，７ｃ，７
ｄで全反射された各ビ−ムを半導体材料２上に集光する
ために集光レンズ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄがそれぞれ設
けられている。

【００１３】なお、各ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄとしては、レ−ザ光源３がＣＯ₂レ−ザである
場合には、ＺｎＳｅ製のものを用いることができ、ま
た、Ａｒレ−ザである場合には、ガラス製のものを用い
ることができる。また、各ビームスプリッタ５ａ，５
ｂ，５ｃ，５ｄには、これに入射するビ−ムの偏光状態
に応じた偏光特性を有する誘電体のコ−ティング，すな
わち誘電体コートが施され、従って、各ビ−ムスプリッ
タ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは偏光ビ−ムスプリッタとし
て構成されている。また、各ビ−ムスプリッタ５ａ，５
ｂ，５ｃ，５ｄにおける反射光と透過光との割合，すな
わち反射率については、偏光ビ−ムスプリッタに形成さ
れる誘電体コ−トによって、所望のものに任意に設定す
ることが可能である。

【００１４】また、全反射ミラ−７ａ，７ｂ，７ｃ，７
ｄとしては、レ−ザ光源３がＣＯ₂レ−ザである場合に
は、Ａｕコ−トミラ−を用いることができ、またＡｒレ
−ザである場合には誘電体コ−トミラ−等を用いること
ができる。

【００１５】次にこのような構成の半導体材料製造装置
の動作について説明する。レーザ光源３からＳ偏光のレ
ーザビームＢＭ₀を出射させるとすると、このＳ偏光の
ビームＢＭ₀は先ず、Ｓ偏光用のビ−ムスプリッタ５ａ
に入射し、このビ−ムスプリッタ５ａに設定されている
所定の反射率で、反射光（Ｓ偏光）ＢＭ₁と透過光（Ｓ
偏光）ＢＭ₂とに分割される。Ｓ偏光用のビ−ムスプリ
ッタ５ａを透過したＳ偏光のビ−ムＢＭ₂は、１／２波
長板６ａを通過することにより、偏光面が９０゜回転し
てＰ偏光のビ−ムとなった後、Ｐ偏光用のビ−ムスプリ
ッタ５ｂに入射し、そこで再び、このビ−ムスプリッタ
５ｂに設定されている所定の反射率で、反射光（Ｐ偏
光）ＢＭ₃と透過光（Ｐ偏光）ＢＭ₄とに分割される。以
下同様にして、Ｓ偏光用のビ−ムスプリッタ５ｃでは、
反射光（Ｓ偏光）ＢＭ₅と透過光（Ｓ偏光）ＢＭ₆とに分
割され、また、ビ−ムスプリッタ５ｄでは、反射光（Ｐ
偏光）ＢＭ₇を与える。このようにして、ビ−ムスプリ
ッタ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによってそれぞれ分割され
た結果得られる各反射光，すなわち、Ｓ偏光ＢＭ₁，Ｐ
偏光ＢＭ₃，Ｓ偏光ＢＭ₅，Ｐ偏光ＢＭ₇は、４つの全反
射ミラ−７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，４つの集光レンズ８
ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを介し、絶縁性基板１上の多結晶
あるいは非晶質の半導体材料２に直線状の配列で入射
し、半導体材料２を照射する。このとき、半導体材料２
を矢印Ａの方向に走査することにより、半導体材料２を
符号１０で示すように、連続的に溶融し、再結晶化する
ことができる。

【００１６】ここで、半導体材料２上での偏光ＢＭ₁，
ＢＭ₃，ＢＭ₅，ＢＭ₇間の間隔は、ビ−ムスプリッタ５
ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ間の間隔，全反射ミラ−７ａ，７
ｂ，７ｃ，７ｄ，集光レンズ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの
角度調整などにより、適宜調整することができる。好ま
しくは、半導体材料２上での各偏光ＢＭ₁，ＢＭ₃，ＢＭ
₅，ＢＭ₇間の間隔（中心間距離）Ｄは、図１に示すよう
に、光強度と半導体材料２の走査速度とに応じて溶融領
域が不連続とならないような間隔に設定されるが、この
中心間距離は、５００μｍ以上になると粒界制御による
単結晶領域の形成が難かしくなるので、最大でも５００
μｍとするのが良い。

【００１７】また、本発明では、Ｓ偏光ＢＭ₁，Ｐ偏光
ＢＭ₃，Ｓ偏光ＢＭ₅，Ｐ偏光ＢＭ₇というように、Ｓ偏
光とＰ偏光とを交互に並べることにより、ビ−ムが重な
り合う場合に生じる干渉を避けることができる。

【００１８】また、各ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄに施される誘電体コ−トを適当なものとするこ
とにより（各ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ
の反射率をそれぞれ所定のものに設定することによ
り）、各ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄから
の各反射光の出力，すなわち光強度を互いに等しくする
ことができる。

【００１９】このように、同じ強度のＳ偏光とＰ偏光と
を交互に、かつ、これらのビ−ム中心間距離が５００μ
ｍ以下で光強度と走査速度と応じて溶融領域が不連続と
ならないような間隔で直線状に配置して半導体材料２に
入射すれば、図２に示すような温度プロファイルを得る
ことができ、温度分布が周期的に変化する（多峰型の）
線状の熱源として使用することができる。

【００２０】なお、上記構成例では、４つのビ−ムスプ
リッタ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと３つの１/２波長板６
ａ，６ｂ，６ｃにより１本のレ−ザビ−ムを４本に分割
したが、ビ−ムスプリッタと１/２波長板の個数をさら
に増加することにより、１本のレ−ザビ−ムをさらに多
数本に分割することが可能である。この場合、各ビ−ム
スプリッタ，各１／２波長板の形状等については、互い
に同じものにすることができるので、従来のように、複
屈折板の厚さを増加させたりする必要がなく、従来に比
べてより幅広の良好な実用上使用に耐えるレ−ザビ−ム
強度分布を得ることができる。

【００２１】また、レ−ザ光源３から出射されるレ−ザ
ビ−ムＢＭ₀がＰ偏光である場合には、上述の例におい
て、Ｓ偏光とＰ偏光とを入れ換えることにより、同様の
動作を行なわせることができる。さらに、レ−ザ光源３
から出射されるレ−ザビ−ムＢＭ₀が円偏光である場合
には、１/４波長板を設けることにより、円偏光をＳ偏
光あるいはＰ偏光に変換し、しかる後、同様の動作を行
なわせることができる。以下、本発明の実施例について
詳細に説明する。

【００２２】

【実施例】実施例１図３は実施例１の装置の構成図である。実施例１では、
レーザ光源３として、出力４Ｗ，ビーム径１．０ｍｍの
Ａｒレーザビームを出射するＡｒレーザを用いた。ま
た、実施例１では、Ｓ偏光を５０％反射するような誘電
体の多層膜コ−ティングを施したガラス製の１つの偏光
ビ−ムスプリッタ５ａと、１つの波長板６ａと、２つの
ビ−ムアラメント用全反射ミラ−７ａ，７ｂと、２つの
集光レンズ８ａ，８ｂとを用いた。また、偏光ビ−ムス
プリッタ５ｂとして、実際には、偏光ビ−ムスプリッタ
のかわりに、誘電体コ−トされた全反射ミラ−を用い
た。また、絶縁性基板１として、厚さ０．５ｍｍの石英
基板を用い、半導体材料２として、この絶縁性基板１上
に形成された厚さ３０００Åの多結晶シリコン薄膜を用
いた。

【００２３】このような構成の下で、レ−ザ光源３から
Ｓ偏光のＡｒレ−ザビ−ムＢＭ₀を出射させて、このレ
−ザビ−ムＢＭ₀を上記偏光ビ−ムスプリッタ５ａに入
射角４５°で入射させると、偏光ビ−ムスプリッタ５ａ
では、出力４ＷのＡｒレ−ザビ−ムを出力２Ｗの反射光
（Ｓ偏光）ＢＭ₁と出力２Ｗの透過光（Ｓ偏光）ＢＭ₂と
にそれぞれ分割する。

【００２４】偏光ビ−ムスプリッタ５ａからの反射光
（Ｓ偏光）ＢＭ₁は、誘電体コ−トされた全反射ミラ−
７ａに直接入射し、全反射ミラ−７ａによって全反射さ
れる。一方、偏光ビ−ムスプリッタ５ａからの透過光
（Ｓ偏光）ＢＭ₂は、１/２波長板６ａによりＰ偏光とな
った後、誘電体コ−トされた全反射ミラ−５ｂで反射さ
れて、誘電体コ−トされたビ−ムアラメント用全反射ミ
ラ−７ｂに反射光（Ｐ偏光）ＢＭ₃として入射し、全反
射ミラ−７ｂによって全反射される。

【００２５】ここで、２つの全反射ミラ−７ａ，７ｂか
らの反射光，すなわち出力２ＷのＳ偏光ＢＭ₁と、出力
２ＷのＰ偏光ＢＭ₃との半導体材料２上でのビ−ム間隔
が０．５ｍｍとなるように、２つの全反射ミラ−７ａ，
７ｂと集光レンズ８ａ，８ｂとを調整し、全反射ミラ−
７ａ，７ｂからの２本のレ−ザビ−ムＢＭ₁，ＢＭ₃をそ
れぞれ集光レンズ８ａ，８ｂを介して厚さ３０００Åの
多結晶シリコン薄膜２に入射させて多結晶シリコン薄膜
２を照射し、基板１を矢印Ａの方向に０．１ｍｍ/秒の
速度で走査したところ、１ｍｍ幅で溶融再結晶化膜１２
を得ることができた。この際、２本のレ−ザビ−ムＢＭ
₁，ＢＭ₃によって形成されるシリコン層における温度プ
ロファイルは、図４（ａ）に示すように各レ−ザビ−ム
ＢＭ₁，ＢＭ₃の入射中心位置Ｐ₁，Ｐ₃において、極大値
をとり双峰形のものとなり、図４（ｂ）に示すように、
この２つの入射中心位置Ｐ₁，Ｐ₃を中心として、幅約
０．１ｍｍの領域Ｃに多くの結晶粒界が集まる形で溶融
再結晶化が行なわれ、この領域Ｃの間には、幅約０．４
ｍｍにわたって、結晶粒界のない領域すなわち単結晶シ
リコン領域Ｓを得ることができた。

【００２６】実施例２図５は実施例２の装置の構成図である。実施例２では、
レ−ザ光源３として、出力１００Ｗ，ビ−ム径１０ｍｍ
のＰ偏光のＣＯ₂レ−ザビ−ムを出射するＣＯ₂レ−ザを
用いた。また、実施例２では、ＺｎＳｅ製の１０個の偏
光ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，…，５ｊと、９個の１
/２波長板６ａ，６ｂ，…，６ｊと、Ａｕコ−トされた
１０個のビ−ムアライメント用全反射ミラ−７ａ，７
ｂ，…，７ｊと、ＺｎＳｅ製の１０個の集光レンズ８
ａ，８ｂ，…，８ｊとを用いた。また、偏光ビ−ムスプ
リッタ５ａ，５ｂ，…，５ｊには、これらにＰ偏光特
性，Ｓ偏光特性を交互にもたせ、また各々による反射光
の出力を互いに同じにするために誘電体の多層膜コ−テ
ィングを施した。すなわち、レ−ザ光源３からのレ−ザ
ビ−ムＢＭ₀がＰ偏光であって、その出力が１００Ｗで
ある場合、各偏光ビ−ムスプリッタ５ａ，５ｂ，…，５
ｊからの１０本の反射光の偏光特性を交互にＰ偏光，Ｓ
偏光にし、これらの出力をそれぞれ１０Ｗのものにする
ため、例えば、第１の偏光ビ−ムスプリッタ５ａには、
１００Ｗのレ−ザビ−ムを１０％反射するようなＰ偏光
用の多層膜コ−ティングを施こし、また、第２の偏光ビ
−ムスプリッタ５ｂには、第１の偏光ビ−ムスプリッタ
５ａを透過した９０Ｗのレ−ザビ−ムを１１％反射する
ようなＳ偏光用の多層膜コ−ティングを施した。

【００２７】また、絶縁性基板１として、厚さ１．６ｍ
ｍの石英基板を用い、半導体材料２として、この絶縁性
基板１上に形成された厚さ３５００Åの多結晶シリコン
薄膜を用いた。

【００２８】このような構成の下で、レ−ザ光源３から
Ｐ偏光のＣＯ₂レ−ザビ−ムを出射させて、このレ−ザ
ビ−ムＢＭ₀を、先ず、第１のビ−ムスプリッタ５ａに
入射角４５゜で入射させると、ビ−ムスプリッタ５ａで
は、１０％の反射率によって、出力１００ＷのＣＯ₂レ
−ザビ−ムを出力１０Ｗの反射光（Ｐ偏光）ＢＭ₁と出
力９０Ｗの透過光（Ｐ偏光）ＢＭ₂とに分割する。ビ−
ムスプリッタ５ａからの出力１０Ｗの反射光（Ｐ偏光）
ＢＭ₁は、Ａｕコ−トされたビ−ムアライメント用全反
射ミラ−７ａに入射し、そこで、全反射される一方、ビ
−ムスプリッタ５ａからの出力９０Ｗの透過光（Ｐ偏
光）ＢＭ₂は、１/２波長板６ａによりＳ偏光となった
後、第２のビ−ムスプリッタ５ｂに入射角４５゜で入射
する。この第２のビ−ムスプリッタ５ｂでは、１１％の
反射率によって、ビ−ムスプリッタ５ａ，１/２波長板
６ａからの出力９０Ｗの透過光（Ｓ偏光）を１０Ｗの反
射光（Ｓ偏光）ＢＭ₃と出力８０Ｗの透過光（Ｓ偏光）
ＢＭ₄とに分割する。ビ−ムスプリッタ５ｂからの出力
１０Ｗの反射光（Ｓ偏光）ＢＭ₃は、Ａｕコ−トされた
ビ−ムアライメント用全反射ミラ−７ｂに入射し、そこ
で、全反射される一方、ビ−ムスプリッタ５ｂからの出
力８０Ｗの透過光（Ｓ偏光）ＢＭ₄は、１/２波長板６ｂ
によりＰ偏光となった後、第３のビ−ムスプリッタ５ｃ
に入射角４５゜で入射する。

【００２９】このようにして、反射率が順次に変化して
いる第１〜第１０のビ−ムスプリッタ５ａ〜５ｊと第１
〜第９の１/２波長板６ａ〜６ｉとに所定出力の透過光
が順次に入射することにより、第１〜第１０のビ−ムス
プリッタ５ａ〜５ｊの各々からは、偏光状態が交互に変
化する同じ出力１０Ｗの反射光（５本のＰ偏光と５本の
Ｓ偏光との合計１０本の反射光）が得られ、これらは、
それぞれビ−ムアライメント用全反射ミラ−７ａ〜７ｊ
に入射する。１０本の反射光ＢＭ₁，ＢＭ₃，…，ＢＭ₁₉
は、ビ−ムアライメント用全反射ミラ−７ａ〜７ｊにそ
れぞれ入射した後、そこで、全反射され、集光レンズ８
ａ〜８ｊにより集光されて、半導体材料２に入射し、半
導体材料２を照射する。すなわち半導体材料２は、交互
にＰ偏光，Ｓ偏光となる１０本のレ−ザビ−ムによって
照射される。

【００３０】ここで、半導体材料２上での各ビ−ムのビ
−ム径が１ｍｍとなるように集光レンズ８ａ〜８ｊを設
定し、また、半導体材料２上において各ビ−ムが直線状
の配列で、各ビ−ムの中心距離が０．５ｍｍとなるよう
に、全反射ミラ−７ａ〜７ｊと集光レンズ８ａ〜８ｊと
を調整して、上記１０本のレ−ザビ−ムＢＭ₁〜ＢＭ₁₉
を厚さ１．６ｍｍの石英基板１上に形成された厚さ３５
００Åの多結晶シリコン薄膜２に入射し、基板１を矢印
Ａの方向に１．０ｍｍ/秒の速度で走査したところ、結
晶粒界位置２１が各レ−ザビ−ムの中心位置の幅約０．
１ｍｍ以内の領域に集められた溶融再結晶化シリコン膜
２２を幅４．５ｍｍにわたって得ることができ、結晶粒
界領域に挾まれた幅約０．４ｍｍの領域には結晶粒界の
ない単結晶シリコン薄膜を形成することができた。すな
わち、本発明によれば、単独のレ−ザ光源によって線状
の熱源を形成できるので、装置を大型、高価にすること
なく１回の走査で高能率に絶縁性材料上の多結晶あるい
は非晶質シリコン層を溶融再結晶化することができた。
さらに線状の熱源はその温度プロファイルが周期的に変
化しており、多結晶あるいは非晶質シリコン層における
線上の溶融領域の温度分布を周期的に変化させることが
できるので、基板に反射防止膜等の特別な加工を施すこ
となしに、結晶粒界の位置を良好に制御し、良好な単結
晶シリコン膜を形成することができた。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、１つのレ−ザ光源と、該レーザ光源から出射された
レーザビームを複数のビ−ムに分割し、多結晶あるいは
非晶質の半導体材料に所定の間隔で入射させる分割入射
手段とを有し、分割入射手段は、レ−ザ光源からのレ−
ザビ−ムを２種類の偏光状態のいずれかを有する複数の
ビ−ムに分割し、一の種類の偏光状態をもつビ−ムと他
の種類の偏光状態をもつビ−ムとを交互にかつ所定の間
隔で直線状に並べて半導体材料に入射させるようになっ
ているので、ビ−ムが重なり合う場合の干渉を避けるこ
とができ、良好な直線状のビ−ム強度分布を得ることが
できる。

【００３２】特に、請求項４記載の発明によれば、分割
入射手段には、少なくとも１つのビ−ムスプリッタと少
なくとも１つの１/２波長板とが交互に配置され、前記
分割入射手段は、該ビ−ムスプリッタと１/２波長板と
を用いて前記レーザビームをＳ偏光のビ−ムとＰ偏光の
ビ−ムとに交互に分割し、Ｓ偏光のビ−ムとＰ偏光のビ
−ムとを交互に所定の間隔で直線状に並べて半導体材料
に入射させるようになっており、各ビ−ムスプリッタ，
各１／２波長板の形状等については互いに同じものにす
ることができるので、従来に比べて、より幅広の良好な
実用上使用に耐えるレーザビーム強度分布を得ることが
でき、粒界位置制御された溶融再結晶化膜を高効率で形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体材料製造装置の構成例を示
す図である。

【図２】図１の半導体材料製造装置によって得られる半
導体材料の温度プロファイルを示す図である。

【図３】実施例１の半導体材料製造装置の構成図であ
る。

【図４】（ａ），（ｂ）は図３の装置によって得られる
半導体材料の温度プロファイル，溶融再結晶化メカニズ
ムをそれぞれ示す図である。

【図５】実施例２の半導体材料製造装置の構成図であ
る。

【図６】（ａ），（ｂ）は従来の半導体材料製造装置の
溶融，再結晶化の方法を説明するための図である。

【図７】ガウス型のレーザビーム強度分布を示す図であ
る。

【図８】再結晶化シリコンが多結晶体となる様子を示す
図である。

【図９】（ａ）乃至（ｃ）は結晶粒界位置の制御と処理
能力の向上とを同時に満足するための溶融再結晶化の原
理を説明するための図である。

【図１０】図９（ａ）乃至（ｃ）に示すような工程を実
現することを意図した従来の溶融再結晶化法を説明する
ための図である。

【図１１】従来の溶融再結晶化法よって得られるレ−ザ
ビ−ムの強度分布を示す図である。

【符号の説明】

１絶縁性基板２半導体材料３レーザ光源４分割入射装置５ビ−ムスプリッタ６１/２波長板７全反射ミラ− ８集光レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 29/784

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つのレ−ザ光源と、該レーザ光源から
出射されたレーザビームを複数のビ−ムに分割し、多結
晶あるいは非晶質の半導体材料に所定の間隔で入射させ
る分割入射手段とを有し、前記分割入射手段は、前記レ
−ザ光源からのレ−ザビ−ムを２種類の偏光状態のいず
れかを有する複数のビ−ムに分割し、一の種類の偏光状
態をもつビ−ムと他の種類の偏光状態をもつビ−ムとを
交互にかつ所定の間隔で直線状に並べて前記半導体材料
に入射させるようになっていることを特徴とする半導体
材料製造装置。
【請求項２】請求項１記載の半導体材料製造装置にお
いて、前記分割入射手段は、前記複数のビ−ムを互いに
同じ光強度で半導体材料に入射させることを特徴とする
半導体材料製造装置。
【請求項３】請求項１記載の半導体材料製造装置にお
いて、前記分割入射手段は、前記半導体材料上での前記
複数のビ−ム間の間隔を、複数のビ−ムの光強度と前記
半導体材料の走査速度に応じて決定するようになってい
ることを特徴とする半導体材料製造装置。
【請求項４】請求項１記載の半導体材料製造装置にお
いて、前記分割入射手段には、少なくとも１つのビ−ム
スプリッタと少なくとも１つの１/２波長板とが交互に
配置され、前記分割入射手段は、該ビ−ムスプリッタと
１/２波長板とを用いて前記レーザビームをＳ偏光のビ
−ムとＰ偏光のビ−ムとに交互に分割し、Ｓ偏光のビ−
ムとＰ偏光のビ−ムとを交互に所定の間隔で直線状に並
べて半導体材料に入射させるようになっていることを特
徴とする半導体材料製造装置。