JPH02225397A - 結晶膜の製造方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は非単結晶膜を用いた結晶膜の製造方法に関する
。

（ロ）　従来の技術 結晶膜の低混成膜要求や大面積化要求を実現する方法と
して、基板表面に低温酸１ＩｖＬ術であるプラズマＣＶ
Ｄ法、熱ＣＶＤ法、真１！蒸潰法、スパッタ法により非
晶質膜或いは多結晶膜等の非単結晶膜を得、当該非晶質
膜を多結晶膜や単結晶膜に変換したり、多結晶膜を単結
晶膜に変換する方法が行なわれている。特開昭６３−１
７０９７６号公報に開示された先行技術は、予め基板表
面にプラズマＣＶＤ法により非晶質膜を低温成膜し、そ
の後、レーザビームを照射によるアニーリングを施し多
結晶膜を得る方法を開示する。

しかし乍ら、上記先行技術の如くレーザビームのような
エネルギビームの強度分布は概して中心部分にピークが
存在するガウス分布を呈するために、中心部分と周縁部
分とでは均一にアニーリングを施すことができない、そ
のために、結晶化がレーザビームの照射部位に限定され
、照射部位全域に頁って、均一な結晶膜を得ることがで
きない。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は上述の如く結晶膜の低温成膜や大面積化を可能
とするエネルギビームを利用した際、均一な結晶膜が得
られない点を解決しようとするものである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するために、表面に非単結晶膜
が成膜された基板を準備し、上記非単結１膜に対し°て
中心に強度ピークが存在するエネルギビームを照射した
後、上記エネルギビームの強度ピークを中心から周縁に
変調することを特徴とする。

（ホ）作用 上述の如く非単結晶膜に対するエネルギビームの照射を
強度ピークが中心から周縁に向って移動するように変調
することによって、エネルギビームの強度分布が結晶化
に好適な分布状態に変更される。

（へ〉　実施例 第１図（ａ）乃至同図（ｅ）は本発明の製造方法を説明
するための工程別模式図である。第１図（龜）の工程で
は、ガラス等の基板（１）の表面に周知のプラズマＣＶ
Ｄ法、真空蒸着法、スバγり法により非単結晶膜として
の非晶質シリコンＣ以下ａ−５ｉと略記する）膜（２）
が形成される。

第１１１（ｂ）の工程では、中心に強度ピークが存在す
る第１のエネルギビーム（ＥＢＩ）が、基板（１）に支
持されたａ−５ｉ膜（２）に対して当該１−８１膜（２
）の露出面側から照射される。使用されるエネルギビー
ム（ＥＢＩ）としては、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ
、アルゴンレーザ、ＣＯ，レーザ、Ｃｕ蒸気レーザ等の
レーザ装置から出射きれるレーザビームが好適に用いら
れ、その他に電子ビームやイオンビームが使用可能であ
る。また、エネルギビームの出射形態は連続状であって
も良いしパルス状であっても良い、斯るエネルギビーム
（Ｅ　Ｂ　１　）の照射により、第１図（ｂ）でハツチ
ングで示す被照射部位のａ−Ｓｉ膜部分（２ａ）は入熱
を受は溶融きれる。

第１図（ｃ）の工程では、エネルギ部分が双峰状を呈す
ると共に、ビーム径が第１のエネルギビーム（ＥＢＩ）
より広い第２のエネルギビーム（ＥＢ２）が上記ａ−３
ｉ膜部分（２ａ）に露出面側から照射される。このとき
、溶融されたａ−８ｉ膜部分（２ａ）の中心部に結晶粒
（２ｂ）が形成されるか、或いは先の第１図（ｂ）の工
程で形成済みの結晶粒（図示せず）が肥大化する。

第１図（ｄ）の工程では、エネルギ分布がドーナツ状（
同図に示す如く中心部分がエネルギ強度ゼロで、周縁部
分に全周に亘って強度ピークが存在する）を呈すると共
に、ビーム径（外径）が第２のエネルギビームより広い
第３のエネルギビーム（ＥＢ３）が、中心部位に結晶粒
（２ｂ）が形成されたａ−Ｓｉ部分（２ａ）に露出面側
から照射される。斯るドーナツ状第３のエネルギビーム
（Ｅ　Ｂ　３　）の内径は、第１図（Ｃ）の工程で得ら
れた結晶粒（２ｂ）の粒径とほぼ同程度か、苦干小径と
なるようにエネルギ分布が決定されている。従って、中
心部分に形成された結晶粒（２ｂ）の粒界部分が主とし
て第３のエネルギビーム（Ｅ　Ｂ　３　）によりアニー
リングされ、粒径が拡大する。

第１図（ｅ）は、第１〜第３エネルギビーム（ＥＢｌ）
〜（ＥＢ３）照射後の状態及び斯るエネルギビーム（Ｅ
ＢＩ）〜（Ｅ　Ｂ　３　）の合成ビーム（ＥＢＯ）を示
している。このようにａ−！３ｉ膜（２）は、当初ガウ
ス分布を呈する第１のエネルギビーム（ＥＢｌ）の照射
によって照射部位のａ−Ｓｔ膜部分（２ａ）の中心部分
に結晶粒（２ｂ）が形成され、然る後結晶化が当該結晶
粒（２ｂ）を核として全局縁に向って拡大されて、最終
的に第３のエネルギビーム（ＥＢ３）のビーム径（外径
）にほぼ等しい粒径の単結晶膜く３）に変換される。即
ち、ビーム強度の分布を時間的に可変とし、エネルギビ
ームを高精度に中心部分から同心的に全周縁部分へ強度
変化を伴いながら移行させることによって、ビーム中心
部分のａ−３ｉ膜部分（２ａ）の単一核から結晶化を開
始きけ、それを拡大して最後に全周縁部分の結晶化を行
なわせて全照射領域に均質な結晶膜を得んとするもので
ある。

例えば、ＳｉＯ＊の基板（１）上に形成された膜厚０．
０１〜１０鱗のａ−８ｉ膜く２）を部分的に単結晶化さ
せる場合を考える。当初ａ−８ｉ膜（２）に照射きれる
第１エネルギビーム（ＥＢＩ）のエネルギ密度は、当該
ａ−５ｉ膜（２）の膜厚により大幅に変動するが、通常
Ｏ１１〜５００Ｊ／（がである、照射時間は結晶化を望
む深さが結晶化Ｍ度に到達するまでとし、おおよそ０．
０１〜１００ｍ　ｓｅｃである。

、−のようにして第１エネルギビーム（ＥＢＩ）の照射
によりａ−５ｉ膜部分（２ａ）が結晶化温度に到達する
と第２エネルギビーム（ＥＢ２）から第３エネルギビー
ム（ＥＢａ）に強度分布を連続的に変化させる。即ち、
ピークを中心から周縁に向って約０、１ｍｍ／　ｓｅｅ
　〜１　ｍ　／　ｓｅｃの速度で移動させる。それにと
もないビーム照射中心より単一の結晶核が発生し、外周
部へと結晶粒の成長が始まる。この際同時に照射周縁部
から中心部への凝固による多結晶粒の成長が起きる可能
性があるが、周辺に逃げる熱量を補う分だけの入熱をレ
ーザ照射により与え続けることにより抑制が可能である
。結果として、レーザパワーさえ十分に与えられれば、
粒径０．０１〜１０ｍの大粒径Ｓｉ結晶薄膜が１パルス
のレーザで形成可能となる。

また、この原］を用いてエネルギビームの走査（エネル
ギビームを固定し、基板側を移動させる場合も含む）を
おこなった場合は、照射両側に多結晶領域がほとんどみ
られない単結晶薄膜の帯が形成可能である。このとき使
用されるエネルギビームの形状は中心対称である必要は
なく、例えば第２図及び第３図（ａ）〜同図（ｅ）に示
すような５種類の形状のものが用いられる。第２図はエ
ネルギビームの照射方向から被照射部位であるａ　−５
ｉ膜（２）を臨んだ上面図であり、第３図（ａ）〜同図
（ｅ）は第２図における各エネルギビームを矢印で示す
走査方向に対し垂直方向に切断した際のエネルギ分布図
である。即ち、Ａのエネルギビーム（ＥＢｉ）はガウス
分布状の中心対称の形状ではあるものの、それ以外のＢ
〜Ｅのエネルギビーム（ＥＢｂ）〜（Ｅ　Ｂ　ｅ　）の
照射形状は楕円等の形状である。この場合、各ビーム（
ＥＢａ）〜（ＥＢｅ）の強度分布を時間的に大きく変化
させる必要はなく、各ビーム（ＥＢａ）〜（ＥＢｅ）を
その形状のまま照射し続けながら移動（走査）すること
によって、照射部位から見ると、エネルギービームの強
度ピークを中心から周縁に変調したこととなる。

その結果、走査方向に垂直なａ−３ｉ膜（２）の断面を
考えると、照射されるエネルギービーム（ＥＢａ〉〜（
ＥＢｅ）の時間変化は、中心部から側周縁に向ってビー
ム強度のピークが移動することとなり、原理が先の１パ
ルス照射と同一であることが理解されよう。

斯る１パルス照射、走査による照射共通の特徴として、
各構成ビームの出力が精密に制御されているために、基
板（１）やａ−８ｉ膜（２）の各部を必要最少限の加熱
に留めることができる。その結果、基板（１）の熱歪な
どの不要なダメージが低減できるばかりか、基板（１）
の到達温度を約６００℃以下とすることが可能となり、
安価なガラスを基板材料として用いたにも拘らず、その
表面に単結晶膜や大粒径、高移動度の多結晶膜が得られ
る。

以上の実施例ではａ−８ｉ膜（２）を島状、帯状に結晶
化させていたが、基板全面に大面積の結晶膜を得る場合
、当該結晶化部分を種結晶として周知のエピタキシャル
成長技術を用いれば良い、更に加工時間が許容されるな
らば、第２図、第３図に示した複数のエネルギビーム（
ＥＢａ）〜（ＥＢｅ）を用いた全面走査による結晶化も
可能である。

第４図は本発明製造方法に用いられて好適な結晶化装置
の概略構成図である。レーザ装置（１０）かる出射され
たレーザビームはｎ本のビームに分割され第１〜第ｎの
基本ビーム成形器（１１，）〜（ｌｌｎ）に入射せしめ
られる。この第１〜第ｎの基本ビーム成形器（１１１）
〜（ｌｌｎ＞では各ビームの基本的エネルギー分布、ビ
ーム径等を決定する０例えば、第１の基本ビーム成形器
（１１１＞は第１図（ｂ）や第３図（ａ）のガウス分布
にビームを成形し、また第２の基本ビーム成形器（ｔｉ
、）は第１図（ｃ）や第３図（ｂ）、（ｃ）のような双
峰分布にビームを成形する。また第ｎの基本ビーム成形
器（ｌｌｎ＞は第１図（ｄ）や第３図（ｄ）、（ｅ）の
ようなドーナツ分布或いは周縁分布にビームを成形する
。このようにして各エネルギ分布に成形された各基本ビ
ームは次にビーム強度制御器（１２１）〜（１２ｎ）に
導入される。

このビーム強度制御器（１２＋　）〜Ｕ２ｎ）は各ビー
ムの任意の時間における強度を、コンピュータ制御され
た高速変調器（１３）によって調整する６強度の調整が
施されると、各ビームはミラー（１４１）或いはハーフ
ミラ−（１４＊　）〜（１４ｎ）により、ＸＹステージ
（１５）上に載置された試料（ａ−３ｉ膜等の非単結晶
膜を表面に支持ノーる基板）（１６）を照射すべく方向
が変更される。尚、試料（１６）とミラー（１４＋）、
ハーフミラ−（１４＊　）〜（１４ｎ）との間には各ビ
ームを合成ビームとして合成した際にその合成ビームを
モニタリングするための投影面（１７）が設けられてい
る。

而して、各基本ビームの強度をビーム強度制御系（１２
，）〜（１２ｎ）を用いて微小時間毎に厳密に独立制御
することによって、任意の強度分布を持つ合成ビームが
得られる。また合成ビームも時間的に連続変化させるこ
とが可能となる。

尚、以上の説明においては結晶膜に変換する出発材料と
してａ−５ｉ膜を用いていたが、このような非晶質膜に
あっては単結晶膜、多結晶膜に変換することができる。

また、多結晶膜にあっては、出発材料自体が低混成膜の
ために粒径が小きく低移動度と低品質であった膜質を大
粒径、高移動度と高品質な膜質に変換したり、単結晶膜
に変換することができる。

（ト）　発明の効果 本発明製造方法は以上の説明から明らかな如く、エネル
ギビームを利用したにも拘らず、当該エネルギービーム
の強度分布が結晶化に好適な分布状態を呈するので、非
、ＩＬ結晶膜を良好に結晶化させることができる。

４、　　Ｖ！！Ｊ面の簡単な説明 第１図（ａ）〜第１図（ｅ）は本発明製造方法による結
晶化の推移を説明するための模式図、第２図は他の実施
例のエネルギビームの照射状態を表わす上面図、第３図
（ａ）〜第３図（ｅ）は第２図におけるＡ−Ａ’線乃至
Ｅ−Ｅ’線断面におけるエネルギ強度分布図、第４図は
本発明に用いられる結晶化装置の模式的構成図、である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に非単結晶膜が成膜された基板を準備し、上
   記非単結晶膜に対して中心に強度ピークが存在するエネ
   ルギビームを照射した後、上記エネルギビームの強度ピ
   ークを中心から周縁に変調することを特徴とする結晶膜
   の製造方法。