JPS6319809A - レ−ザビ−ムアニ−ル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、レーザビームアニール技術に係ね、特に絶縁
股上に半導体単結晶層を形成するだのレーザビームアニ
ール装置に関する。

（従来の技術） 近年、半導体工業の分野においては、エネルギービーム
によるアニール技術を用いた５ｏｌ（Ｓ　１ｌｉｃｏｎ
　ｏｎ　ｌ　ｎ５ＵＩａｔｏｒ）　ＥＴＡの形成技術の
研究゛部類が盛んに行われている。この技術では、シリ
コン単結晶基板上にシリコン該化摸やシリコン窒化膜等
の絶縁膜を形成し、その上に多結晶シリコン膜や非晶質
シリコン摸等を堆積し、電子ビーム或いはレーザビーム
等のエネルギービームの照射により、上記シリコン摸を
溶融・再結晶化させてシリコン単結晶層を成長させる方
法を採っている。

ところで、従来のレーザビームアニールにおいては、レ
ーザビームの形状や強度分布を変えることによって、よ
り良質の単結晶層を成長させる試みがなされている。レ
ーザビームの形状や強度分布を変える方法としては、例
えばレーザビームの後端部に凹部が形成されるようにビ
ーム整形を行う方法、レーザ発振モードを調節してドー
ナツ状の強度分布を有するレーザビームを用いる方法、
或いはレーザビームを走査方向に対して直角方向に振動
させ、周辺部での温度を中央部に比べて高くする方法等
がある。

しかしながら、これらの方法では、レーザビームのパワ
ーの効率が悪かったり、任意の強度分布のビームを得る
ことに問題があり、均一性の良い良質の半導体単結晶を
１ｑることは困難であった。

（発明が解決しようとする問題点） 下った。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、−その目
的とするところは、レーザビームの走査方向に対して直
角方向の温度分布を略平坦なものとし、且つレーザビー
ムのパワー低下をＩＲ＜ことな−くレーザビームの端の
強度分布を急峻なものとすることができ、良質な半導体
単結晶層を製造することのできるレーザビームアニール
装置を提供することにある。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、レーザビームの形状及び強度分布をビ
ームアニールで有効なものにするために、ビームの強度
分布を同心円状から所望の分布に変換すると共に、変換
されたビームを分割して該分割されたビームの位置を入
れ換えることにある。

即ち本発明は、レーザビームアニール装置において、同
心円状の強度分布を持つレーザビームを放射するレーザ
発振器と、このレーザ発振器からのレーザビームを楕円
状若しくは多峰状の強度分布を持つレーザビームに変換
する第１の光学系と、−たちのである。

（作用） 上記の構成であれば、楕円状若しくは多峰状の強度分布
を持つレーザビームを複数に分割し、レーザビームの走
査方向と直交する方向で該分割した各レーザビームの位
置を入れ換えることにより、ビーム走査方向と直交する
方向でのご一ム強度分布を略平坦なものとすることがで
きる。ざらに、ビーム端での強度分布を急峻なものとす
ることが可能となる。

（実施例） まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の詳細な説明するた
めの模式図である。第１図の例では、同心円状の強度分
布を持つレーザビーム３１をシリンドリカルレンズ等の
第１の光学系１０で楕円状の強度分布を持つレーザビー
ム３２に変換し、次いでこのビーム３２を複プリズム等
からなる第２の光学系２０により複数に分割し、各レー
ザビームの位置を入れ換え、レーザビーム３３の長さ方
布が得ら机、均一で大面積の半導Ｉ＊単結晶層の形成、
レーザビームパワー効率の向上が可能となる。

なお、図中のＸ方向はビーム走査方向、Ｘ方向はこれに
直交する方向である。

また第２図の例では、同心円状の強度分布を持とル−ザ
ビーム３１を１／４波長板及び複屈折板等からなる第１
の光学系１０’で多峰状の強度分布を持つレーザビーム
３４に変換し、次いでこのビーム３４を複プリズム等か
らなる第２の光学系２０により複数に分割し、各レーザ
ビームの位置を入れ換え、レーザビーム３５の長さ方向
の強度分布を平坦化し、さらに長さ方向のビーム端での
強度分布を急峻とし、これにより均一で大面積の半導体
単結晶饗の形成、レーザビームパワー効率の向上を可能
としている。

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第３図は本発明の一実施例に係わるレーザビームアニー
ル装置を示す概略構成図である。図示しないレーザ発掘
器から放射されたレーザビーム３１は、シリンドリカル
凸レンズ１１及びシリンドリカル凹レンズ１２からなる
第１の光学系１０を通過する。第１の光学系１０を通過
したレーザビーム３２は、２個の複プリズム２１．２２
を対向配置させた第２の光学系２０を通過する。そして
、第２の光学系２０を通過したレーザビーム３３が集束
レンズ４０により集束され、該集束さの進行方向（走査
方向）に対して垂直な方向（ｙ方向）の強度分布は、第
４図（ａ）に示す如く同心円状となっている。このレー
ザビーム３１は第１の光学系１０により、第４図（ｂ）
に示す如くＸ方向よりもｙ方向の方が長い楕円状の強度
分布を持つレーザビーム３２に変換される。強度分布を
楕円状に変換されたレーザビーム３２は、第２の光学系
２０により、中央で（×軸を中心として）互いに分割さ
れその位置を入れ換えられることにより、第４図（Ｃ）
に示す如く平坦性の良い強度分布を持つレーザビーム３
３に変換される。そして、このレーザビーム３３が集束
レンズ４０を介して試料５０上に照射され、レーザビー
ムアニールに供されることになる。

次に、上記装置を用いたシリコン単結晶層の製造方法に
ついて説明する。試料としては、第５図に示す如く面方
位（，１００）、５インチ径の単結晶Ｓｉ基板５１上に
厚さ１．３　［μｍ］のＳｉＯ２膜（絶縁ｇ１）５２を
堆積し、その上に厚さ０．６　［μｍ］の多結晶３ｉ膜
５３　全堆積Ｌ、１．５［＃ｌＩＩ！］、横方向（Ｘ方
向）で０．８　［ｓ］となるようにした。また、レーザ
ビームの走査速度は４０　［ｍＩＩＩ／ｓｅｃ　］とし
た。

上記の条件で試料５０をビームアニールしたところ、ア
ニール後の試料５０では、幅１［履］のシリコン再結晶
層が得られ、その平面状態も極めて平坦性の優れたもの
であった。また、多結晶シリコン膜５３の下部５ｉ０２
膜５２の一部を開口させた構造の試料では、上記５ｉ０
２膜５２の開口部で基板シリコンと直接接触した多結晶
シリコン膜５３の再結晶時に基板から垂直方向にエピタ
キシャル成長し、次いでＳｉ○２膜５２上のシリコン層
も横方向にエピタキシャルする結果、この幅１［履］の
溶融体に含まれた領域中では、大面積の（１００）方位
の単結晶層が得られた。

かくして本実施例によれば、第１及び第２の光学系１０
．２０を用いることにより、ビーム走査方向に対して垂
直方向のビーム強度分布を略平坦なものとし、且つビー
ム端での強度分布を急峻なものとすることができる。即
ち、レーザビームの一部を用いて多結晶シリコン躾等を
アニールすることにより、絶縁膜上に大面積で良質のシ
リコン単結晶層を製造することが可能となり、その有用
性は絶大である。

第６図は他の実施例に係わるレーザビームアニール装置
を示す概略構成図である。なお、第３図と同一部分には
同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、前記第
１の光学系１０を構成するシリンドリカルレンズ１１．
１２の代りに、１／４波長板１３と複屈折板１４とを組
合わせた第１の光学系１０′を用いたことにある。即ち
、レーザ発振器から故旧されたレーザビーム３１は、ビ
ームエキスパンダー６０を介して拡大されたのら、まず
１７７４波長板１３を通過し、次いで複屈折板１４を通
過する。このとき、第７図（ａ）に示す如き同心円状の
強度分布を持つレーザビーム３１は、同図（ｂ）に示す
如く双峰状の強度分布を持つレーザビーム第４図（Ｃ）
に示す如く平坦性の良い強度分布を持つレーザビーム３
５に変換される。そして、このレーザビーム３５が、集
光レンズ６０を介して集束されたビーム３７となり試料
５０上に照射されるものとなっている。

次に、第６図に示す装置を用いたシリコン単結晶層の製
造方法について説明する。まず、試料５０としては前記
第５図に示すものと同一のものを用いた。レーザビーム
のパワー及びビーム走歪速度も先の実施例と同様にした
。レーザビームの形状は試料５０上で長さ方向が１．５
　［＃］となるようにした。

上記の条件で試料５０をビームアニールしたところ、ア
ニール後の試料５ｏでは、幅１［ｍ］のシリコン再結晶
層が１９られ、その平面状態も極めて平坦性の浸れたも
のであった。また、多結晶シリコン１ｉ１５３の下部Ｓ
　ｉ　０２膜５２の一部を間口させた構造の試料では、
前記３ｉ０２摸５２の開口部で基板シリコンと直接接触
した多結晶シリコン膜５３の再結晶時に基板からの垂直
にエビタキ′１このように本実施例によっても、レーザ
ビームの形状及び強度分布をビームアニールに好適する
条件に設定することができ、先の実施例と同様の効果が
得ら机る。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記第２の光学系として、第８図に示す
如く２個の４面複プリズム２３゜２４を対向させた光学
系２０’　を用い、レーザビームの走査方向の強度分布
の平坦性を上げるようにしてもよい。また、前記レーザ
ビームの楕円状強度分布は単なる楕円状に限定されるも
のではなく、レーザビームの強度分布の形状が長さ方向
と幅方向の比が１より大きいものであればよい。さらに
、前記レーザど−ムの双峰状強度分布は単なる双峰状に
限るものではなく、多経状或いはなだ゛らかな強度分布
であるものであればよい。また、レーザビームの分割数
及びビーム立置の入れ換え方向等の条件は、仕様に応じ
て適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸叫し
ない範囲で、種々変形して実施することができろ。

［発明の効果］ 効率の向上が可能となる。このため、良質の半導体単結
晶層を大面積に亙って製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の基本原理を説明す
るための模式図、第３図は本発明の一実施例に係わるレ
ーザビームアニール装置を示す電絡構成図、第４図は上
記実施例装置の作用を説明するための模式図、第５図は
上記実施例装置を用いてアニールした試料の構造を示す
断面図、第６図は本発明の池の実施例装置を示す概略溝
成図、第７図は上記他の実施例の作用を説明するための
模式図、第８図は変形例を説明するための要部溝成図で
ある。 １０．１０’・・・第１の光学系、１１．１２・・・シ
リントリカルレンズ、１３・・・１／′４波長（反、１
４・・・複屈折板、２０．２０’　・・・第２の光学系
、２１゜〜、２４・・・複プリズム、３１．〜，３７・
・・レーザビーム。 ＠多蓼ヤ己 出願人　工業技術院長　得≠均−達一 （″ 第　５図 第　８１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）同心円状の強度分布を持つレーザビームを放射す
   るレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザビー
   ムを楕円状若しくは多峰状の強度分布を持つレーザビー
   ムに変換する第１の光学系と、この第１の光学系により
   その強度分布が変換されたレーザビームを複数に分割し
   、各レーザビームの位置を入れ換える第２の光学系とを
   具備してなることを特徴とするレーザビームアニール装
   置。
2. （２）前記第１の光学系は、シリンドリカルレンズから
   なるもので、前記レーザ発振器からのレーザビームの強
   度分布を楕円状に変換するものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のレーザビームアニール装置
   。
3. （３）前記第１の光学系は、１／４波長板及び複屈折板
   を組合わせてなるもので、前記レーザ発振器からのレー
   ザビームの強度分布を楕円状から多峰状に変換するもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレ
   ーザビームアニール装置。
4. （４）前記第２の光学系は、複プリズムからなるもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレー
   ザビームアニール装置。
5. （５）前記第２の光学系は、前記分割されたレーザビー
   ムの走査方向と直交する方向で、該ビームの位置を入れ
   換えるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のレーザビームアニール装置。