JPH0220137B2 - - Google Patents

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JPH0220137B2
JPH0220137B2 JP58235326A JP23532683A JPH0220137B2 JP H0220137 B2 JPH0220137 B2 JP H0220137B2 JP 58235326 A JP58235326 A JP 58235326A JP 23532683 A JP23532683 A JP 23532683A JP H0220137 B2 JPH0220137 B2 JP H0220137B2
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JP
Japan
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laser
laser beam
silicon layer
total reflection
reflection mirror
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP58235326A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS60126840A (ja
Inventor
Shigenobu Akyama
Yasuaki Terui
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP58235326A priority Critical patent/JPS60126840A/ja
Publication of JPS60126840A publication Critical patent/JPS60126840A/ja
Publication of JPH0220137B2 publication Critical patent/JPH0220137B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10PGENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P95/00Generic processes or apparatus for manufacture or treatments not covered by the other groups of this subclass
    • H10P95/90Thermal treatments, e.g. annealing or sintering

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  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、2本のレーザビームを光学系により
合成し、双峰型エネルギー分布のビームにするこ
とにより良質のSOI構造を形成するためのレーザ
照射方法に関するものである。
従来例の構成とその問題点 従来より、たとえばレーザアニール装置などに
用いられているレーザ照射装置は、殆んどの場
合、1台のレーザ光源を用いた1本のレーザビー
ムを照射する機構であつた。一般にレーザビーム
の最安定で高エネルギーモードはTEM00モード
でありこの場合のパワー強度分布はビーム中心で
最大パワー密度となるガウス型分布をしている。
このようなガウス型パワー分布を有するレーザビ
ームをたとえば、非晶質絶縁基板上のシリコン層
即ちSOIの溶融再結晶化技術に適用すると、細か
い小さな結晶粒の集合体となつてしまうことが知
られている。
このような再結晶化層を半導体デバイスの母材
として用いると、結晶粒界の影響でリーク電流の
増大、易動度の劣化等、デバイスとしての重大な
電気特性の劣化をきたすものである。したがつ
て、このような問題を除去するために、大結晶粒
もしくは単結晶のシリコン層を得る一つの方法と
して、レーザビームのビームパワー分布を中央が
周辺より強度の弱いドーナツ型ビームとなる
TEM01モードとTEM10モードの合成ビーム、あ
るいはビームの極大値が複数あるたとえば
TEM01モードなどのビームを照射することが試
みられている。事実、このようなビーム照射によ
りビーム走査の中央付近、即ち周辺よりパワーの
小さい部分において、大結晶粒となることが報告
されている。
しかしながら、レーザ発振モードとして、
TEM00モードからはずれるTEM01,TEM10モー
ドなどは、ビーム発振がきわめて不安定であると
同時に出力パワーも小さくなる。したがつて、レ
ーザ光源として安定に使うためには、TEM00
ードで発振させることが望ましい。
したがつて、上記の欠点を除き、安定で、高エ
ネルギーでしかも、所望のパワー分布を制御でき
るレーザビーム照射装置の開発を含むレーザ照射
法の開発が望まれている。
発明の目的 本発明は、レーザ照射によるSOIの再結晶化や
アニールに用いるレーザビームにおける上記従来
例の欠点を克服し、レーザビームの強度分布を制
御して所望の分布を得ることのできるレーザビー
ム照射装置により、所望のエネルギー分布のレー
ザビームを用い、良質のSOIを形成するためのレ
ーザ照射方法を提供するものである。
発明の構成 本発明は、2台のレーザ光源を用いて、安定な
たとえばTEM00モードのガウス型エネルギーを
有する2本のレーザビームを光学系により合成し
制御して合成されたレーザビームを所望のビーム
パワー分布にせしめ、絶縁基板上のシリコン層に
照射して、前記シリコン層を溶融し再結晶化する
ものである。
本発明の構成を2台のレーザ光源を用いた本発
明の構成を以下に説明する。
レーザ光源として、たとえば連続発振Arイオ
ンレーザを用いる。光源からのレーザビームは、
たとえば直線偏光のP波になつている。第1のレ
ーザ光源からの第1のレーザ光はP波のまま、ビ
ームエクスパンダーに入射し、続いてグランテー
ラープリズムでパワー調節されて、P波を殆んど
透過せしめる偏光ビームスプリツターに入射す
る。第2のレーザ光源からの第2のレーザ光のP
波は第1のレーザ光と平行であつて1/2波長板を
通過後S波に変換されるようにする。その後、第
2のレーザ光は、全反射ミラーで入射方向から
90゜の方向反射されて、前記偏光ビームスプリツ
ターに第1のレーザ光が透過している付近に入射
する。偏光ビームスプリツターは、S波は殆んど
反射し入射方向に対して90゜の方向に曲げられる
ものである。したがつて偏光ビームスプリツター
を出た第2のレーザ光は、はじめの方向と平行に
なつている。また前記の如く第1のレーザ光は偏
光ビームスプリツターを殆んど透過しているの
で、偏光ビームスプリツターを出た光は、殆んど
一本のビームのように合成されることになる。第
2のレーザ光を反射する全反射ミラーは、第2の
レーザ光の光軸と平行に微少移動可能にしておく
ことにより、偏光ビームスプリツターを出た合成
ビームはこの全反射ミラーの移動距離と同じ距離
だけ第2のレーザ光の中心が、第1のレーザ光の
中心から離れているビームとなつている。したが
つて、この移動距離を任意に変えることによりガ
ウス型強度分布のビームが2本重ね合わせられた
強度分布を有することになり、ピークの接近した
2ピークビームあるいは中央部がほぼ平坦な強度
分布を有する合成ビームを得ることができる。
この後、絞りレンズにより、所望のビームサイ
ズに絞つて絶縁基板上のシリコン層に走査しなが
ら照射して溶融再結晶化して良質のSOI構造を得
るものである。シリコン層上では、レーザビーム
の2つのエネルギーピーク間隔を高精度で制御さ
れている。
実施例の説明 本発明にかかわる一実施例を図面に基き、以下
に説明する。
第1図は本発明の双峰型エネルギー分布を有す
るビームを得るに至り、絞りレンズ前までの光学
系部分の概念を示す平面図である。
第1のレーザ光源1から出た直線偏光のP波で
ある第1のレーザ光L1は、ビームエクスパンダ
ー4を通過後ビーム径がたとえば10倍のレーザ光
L12となり、パワーを調節するためのグランテー
ラープリズム6を通過後所望のパワーのレーザ光
L13となつて、偏光ビームスプリツター8に入射
する。この偏光ビームスプリツター8は、P波に
対して透過型にしてあるのでレーザ光L13は殆ん
ど減衰せず偏光ビームスプリツター8を通過した
レーザ光L14が得られる。光学系は光軸を揃えて
あるので、第1のレーザ光L1,L12,L13,L14
すべて、同一直線の光軸上にある。
次に、第2のレーザ光源2を出た直線偏光のP
波である第2のレーザ光L2は、1/2波長板3を通
過することにより、直線偏光のS波に変換され
る。このS波となつた第2のレーザ光L21は、ビ
ームエクスパンダー5を通過して、ビーム径が10
倍のレーザ光L22となつて、グランテーラープリ
ズム7を通過して、所望のパワーのレーザ光L23
となつて、全反射ミラー9に入射する。第2のレ
ーザ光源2を出たレーザ光L2,L21,L22,L23
全て同一直線の光軸上にあり、第1のレーザ光
L1,L12,L13とは、平行である。また全反射ミラ
ー9は第2のレーザ光L2,L21,L22,L23の光軸
上をこの光軸に平行に微動できるようになつてい
る。
全反射ミラー9によつて全反射された第2のレ
ーザ光L24は、レーザ光L2,L21,L22,L23の光軸
に対して、90゜の角度をもつた光軸を有するよう
に、全反射ミラー9の角度を調整してある。この
第2のレーザ光L24は、全反射ミラー9の位置を
調節して、第1のレーザ光L13が透過する偏光ビ
ームスプリツター8のAの位置付近に入射するよ
うにしてある。第2のレーザ光L24はS波である
ので偏光ビームスプリツター8により、ほぼ全て
の光エネルギーが直角方向に反射され、偏光ビー
ムスプリツター8を通過した第1のレーザ光14
と平行で殆んど光軸が接近したレーザ光L25とな
つて偏光ビームスプリツター8から出てくる。し
たがつて、偏光ビームスプリツター8を出たレー
ザ光L14,L25は、光軸がごく接近した平行ビーム
となつているので合成されて1本のビームのよう
に見える。
第2のレーザ光L23が反射され、偏光ビームス
プリツター8により第1のレーザ光L13と合成さ
れてあたかも1本のレーザ光となつてみえる様子
を第2図に従つて簡単に説明する。
全反射ミラー9がBの位置にあるとき、第2の
レーザ光L23の反射光L24は偏光ビームスプリツタ
ー8のAの位置に入射する。このA点は、第1の
レーザ光L13が偏光ビームスプリツター8を透過
する点である。次に全反射ミラー9を第2のレー
ザ光L23の光軸に平行に距離dだけ平行移動すれ
ば、反射光L24は、偏光ビームスプリツター8で
反射された後、第1のレーザ光L14の光軸からd
だけ離れた平行な光軸を有するレーザ光L25とな
り、第1のレーザ光L14と第2のレーザ光L25によ
り合成されたビームはそれぞれがガウス型のパワ
ー分布の2つのピークをもつパワー分布となつて
いる。しかも、この2つのピークの距離dは、全
反射ミラー9を微調整することにより、任意の所
望の値に設定できる。
したがつて、安定な、双峰型のピークを有しそ
のピークの距離を任意の所望の値に設定されるレ
ーザ光を得ることができる。
この後、レーザ光を適当な絞りレンズ系で絞り
込むことにより、絶縁基板上に形成されたシリコ
ン層上において、第3図に示すような断面が双峰
型のエネルギー分布を有するレーザ光を得ること
ができ、この双峰型ビームの2つのビーム強度の
極大点の距離は高精度で制御することが可能であ
る。したがつて、このレーザ光を用いてシリコン
層を溶融再結晶化すれば、再結晶シリコン層は大
結晶粒化された結晶層とすることができ、良質の
SOI構造を得ることができる。
発明の効果 試料構造がシリコン島であるシリコン層に本発
明によるレーザ光を適当な絞りレンズ系で絞り込
むことにより、最適結晶化に要求される高精度な
ビーム間隔制御による所望のエネルギー分布を有
する双峰型ビームを得ることができ、このレーザ
光をSOI構造のシリコンの溶融再結晶化に用いれ
ば、再結晶化シリコン層は、大結晶粒化された結
晶層とすることができる。試料構造がシリコン島
であるシリコン層に本発明によるレーザ光を照射
すればこのシリコン島全体はほぼ単結晶化するこ
とができ、すぐれたSOI素子を提供できることに
なり、高性能、高集積な半導体ICの実現にとつ
て効果は極めて大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の双峰型ビームを得るまでの光
学系部分の装置の一実施例の概念図、第2図は合
成ビームを得る部分の詳細説明図、第3図は本発
明の装置から得られた合成ビームを絞り込んだの
ち絶縁基板上に形成されたシリコン層上に照射さ
れたレーザ光のパワー分布の模式図で、第3図a
は平面パワー分布図、同bは断面パワー分布図で
ある。 1,2……レーザ光源、3……1/2波長板、4,
5……ビームエクスパンダー、6,7……グラン
テーラープリズム、8……偏光ビームスプリツタ
ー、9……全反射ミラー、L1,L12,L13,L14
…第1のレーザ光、L2,L21,L22,L23,L24
L25……第2のレーザ光。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1のレーザ光が第1のビームエクスパンダ
    ーを介してビームスプリツターを透過する光路を
    経るように第1の各光学機器が配置され、また第
    2のレーザ光が1/2波長板を透過したのち第2の
    ビームエクスパンダーを介して全反射ミラーによ
    り屈折させられたのち前記ビームスプリツターに
    前記第1のレーザ光に対して直角に入射せしめら
    れ前記ビームスプリツターで前記第1のレーザ光
    と平行になるように屈折せしめられる光路を経る
    ように第2の各光学機器が配置された光学系によ
    り、前記第1、第2のレーザ光を1本のビームに
    合成するに際し、前記第1、第2のレーザ光を安
    定なガウス型エネルギー分布とし、前記1本に合
    成されたビームのエネルギー分布が2つの極大値
    を有するようにせしめ、前記全反射ミラーを移動
    することにより前記2つのエネルギー極大値をと
    る位置の相互の距離を微調整し、所望のエネルギ
    ー分布を有する合成ビームを得たのち、絞りレン
    ズを通して前記合成ビームの2つの極大値間の距
    離を制御して、絶縁基板上に形成したシリコン層
    に照射し、前記シリコン層を溶融して再結晶化し
    SOI構造を形成することを特徴とするSOI形成用
    レーザ照射方法。
JP58235326A 1983-12-13 1983-12-13 Soi形成用レーザ照射方法 Granted JPS60126840A (ja)

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