WO2007032322A1 - レーザアニール方法及び装置 - Google Patents

レーザアニール方法及び装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2007032322A1
WO2007032322A1 PCT/JP2006/318006 JP2006318006W WO2007032322A1 WO 2007032322 A1 WO2007032322 A1 WO 2007032322A1 JP 2006318006 W JP2006318006 W JP 2006318006W WO 2007032322 A1 WO2007032322 A1 WO 2007032322A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
rectangular
laser
substrate
semiconductor film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2006/318006
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ryusuke Kawakami
Kenichiro Nishida
Norihito Kawaguchi
Miyuki Masaki
Atsushi Yoshinouchi
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.)
IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp, Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd filed Critical IHI Corp
Priority to US11/916,687 priority Critical patent/US7833871B2/en
Priority to EP06797813A priority patent/EP1926131A4/en
Priority to CN2006800229921A priority patent/CN101208778B/zh
Publication of WO2007032322A1 publication Critical patent/WO2007032322A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US12/946,051 priority patent/US8299553B2/en
Priority to US13/608,818 priority patent/US8629522B2/en
Priority to US14/138,273 priority patent/US9058994B2/en
Priority to US14/732,920 priority patent/US20150348781A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0732—Shaping the laser spot into a rectangular shape
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D86/00—Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates
    • H10D86/01—Manufacture or treatment
    • H10D86/021—Manufacture or treatment of multiple TFTs
    • H10D86/0221—Manufacture or treatment of multiple TFTs comprising manufacture, treatment or patterning of TFT semiconductor bodies
    • H10D86/0223—Manufacture or treatment of multiple TFTs comprising manufacture, treatment or patterning of TFT semiconductor bodies comprising crystallisation of amorphous, microcrystalline or polycrystalline semiconductor materials
    • H10D86/0229—Manufacture or treatment of multiple TFTs comprising manufacture, treatment or patterning of TFT semiconductor bodies comprising crystallisation of amorphous, microcrystalline or polycrystalline semiconductor materials characterised by control of the annealing or irradiation parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D86/00—Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates
    • H10D86/01—Manufacture or treatment
    • H10D86/021—Manufacture or treatment of multiple TFTs
    • H10D86/0251—Manufacture or treatment of multiple TFTs characterised by increasing the uniformity of device parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/20—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials
    • H10P14/38—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials characterised by treatments done after the formation of the materials
    • H10P14/3802—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H10P14/3808—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/20—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials
    • H10P14/38—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials characterised by treatments done after the formation of the materials
    • H10P14/3802—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H10P14/3808—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
    • H10P14/381—Beam shaping, e.g. using a mask
    • H10P14/3812—Shape of mask
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/20—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials
    • H10P14/38—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials characterised by treatments done after the formation of the materials
    • H10P14/3802—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H10P14/382—Scanning of a beam
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P34/00—Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P34/40—Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices with high-energy radiation
    • H10P34/42—Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices with high-energy radiation with electromagnetic radiation, e.g. laser annealing

Definitions

  • the present invention relates to a technique for irradiating a rectangular laser beam to an amorphous semiconductor film such as a silicon film on a substrate to manufacture a polycrystalline or single crystal semiconductor film in manufacturing a semiconductor device, etc.
  • the present invention relates to a technique for improving the quality of a polycrystalline or single crystal semiconductor film by irradiating a crystal or single crystal semiconductor film with a rectangular laser beam.
  • Examples of the original polycrystalline or single crystal semiconductor film whose quality is to be improved include a film manufactured by solid phase growth and a film manufactured by laser annealing.
  • the improvement of the quality of a polycrystalline or single crystal semiconductor film includes (1) an increase in the size of crystal grains, (2) a reduction in defects in the crystal grains, and (3) an inter-grain size. The remaining amorphous part is crystallized.
  • TFT Thin Film Transistor
  • an amorphous silicon film or the like is used as a semiconductor layer on which the TFT is formed.
  • a semiconductor film high-speed operation cannot be performed because of low carrier mobility.
  • an amorphous silicon film is usually formed into a polycrystalline or single crystal silicon film crystallized by laser annealing.
  • a laser beam having a rectangular cross section perpendicular to the traveling direction (hereinafter referred to as a rectangular laser beam) is often used. Irradiation is performed on the amorphous silicon film while shifting the substrate on which the amorphous silicon film is formed in the short side direction of the rectangle.
  • a method for forming a polycrystalline or single crystal silicon film by a rectangular laser beam is disclosed in, for example, Patent Document 1.
  • Non-patent documents 2 and 3 are related to the present invention.
  • a polarized laser beam is irradiated onto a solid surface
  • a surface electromagnetic wave is excited on the solid surface, and a standing wave is generated on the solid surface due to interference between the surface electromagnetic wave and incident laser light.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-347210 “Semiconductor Device and Manufacturing Method”
  • Special Reference 1 www.nml.co.jp/new—business/SUB2/investigation/ripples/texture.pdf
  • Non-Patent Document 2 Laser Research December 2000, No. 28 ⁇ No. 12, pp. 824-828 “Dependence of Ripple Formation Incidence Angle on Metal and Semiconductor by Laser-induced Surface Electromagnetic Wave”
  • Non-Patent Document 3 pages 1384 to 1401, IEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VO L. QE-22, N0.8, AUGUST, 1986
  • the growth direction of crystal grains is greatly affected by a temperature gradient, that is, an energy gradient of a laser beam.
  • a temperature gradient that is, an energy gradient of a laser beam.
  • the energy distribution in the short side direction of the rectangular laser beam has a large gradient as shown in FIG. Therefore, since crystal growth is extremely sensitive to the energy distribution in the short side direction, it is very difficult to make the crystal dimensions in the short side direction uniform. As a result, as shown in FIG. 3, the crystal dimension variation in the short side direction becomes larger than the crystal dimension variation in the long side direction.
  • a first object of the present invention is to provide a laser annealing method capable of obtaining a polycrystalline or single crystal semiconductor film having a uniform grain size in the long side direction.
  • a second object of the present invention is to provide a laser annealing method and apparatus capable of obtaining a polycrystalline or single crystal semiconductor film having a crystal grain force with a uniform dimension in the short side direction.
  • a third object of the present invention is to provide a laser annealing method and apparatus capable of obtaining a polycrystalline or single crystal semiconductor film made of crystal grains having a uniform dimension between the long side direction and the short side direction. There is to serve.
  • a laser annealing method performed by irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, which is perpendicular to a traveling direction.
  • a laser annealing method is provided (claim 1).
  • a standing wave caused by the incident rectangular laser beam scattered by the semiconductor film surface and the incident rectangular laser beam is generated on the semiconductor film surface, and the dimensions are uniform in the standing wave direction.
  • a polycrystalline or single crystal semiconductor film made of crystals can be formed.
  • a standing wave is generated on the semiconductor film in the direction of the long side which is the polarization direction, and a periodic energy of the standing wave, that is, a temperature gradient corresponding to this is generated. Therefore, when laser annealing is performed on an amorphous semiconductor film by this method, crystal nuclei are generated at the positions of the valleys of this periodic energy, and each crystal nuclei grows in a higher temperature direction and collides with each other. The place where it was becomes a grain boundary. Therefore, crystal nuclei generated at periodic positions grow under the influence of the same temperature gradient in the long side direction, so that a polycrystalline or single crystal semiconductor film having a crystal grain force with uniform dimensions in the long side direction can be formed. Can be formed.
  • a laser annealing method performed by irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, the method being perpendicular to the traveling direction. Generates a linearly polarized rectangular laser beam with a rectangular cross section and an electric field facing the short side of the rectangle, or an elliptically polarized rectangular laser beam with the long axis facing the short side. Stages,
  • Injecting the rectangular laser beam onto a substrate includes a laser annealing method (claim 2).
  • a laser annealing apparatus that irradiates a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, and is perpendicular to the traveling direction.
  • a linearly polarized rectangular laser beam with a rectangular cross section and an electric field facing the rectangular short side direction or an elliptically polarized rectangular laser beam whose long axis faces the short side direction is generated and incident on the semiconductor film surface.
  • a laser annealing apparatus comprising a short side polarized beam generating means is provided (claim 6).
  • a scattered wave of the incident rectangular laser beam from the semiconductor film surface and a standing wave caused by the incident rectangular laser beam are generated on the surface of the semiconductor film, and the dimension in the standing wave direction is increased.
  • a polycrystalline or single crystal semiconductor film made of uniform crystals can be formed.
  • a standing wave is generated in the short side direction that is the polarization direction on the semiconductor film, or a standing wave is strongly generated in the major axis direction of the elliptically polarized light, and the periodic energy of this standing wave, that is, A temperature gradient corresponding to this will occur. Therefore, when laser annealing is performed on an amorphous semiconductor film with this method and apparatus, crystal nuclei are generated at the positions of the periodic energy valleys, and each crystal nucleus grows in a higher temperature direction and collides with each other. This is the grain boundary. Therefore, crystal nuclei generated at periodic positions grow under the influence of the same temperature gradient in the short side direction, so that a polycrystalline or single crystal semiconductor film having a uniform grain strength in the short side direction is formed.
  • the crystal grows under the influence of a periodic temperature gradient in the short side direction.
  • the quality of the polycrystalline or single crystal semiconductor film is improved so as to be uniform.
  • the method includes irradiating the semiconductor film surface of the substrate with the rectangular laser beam while transporting the substrate in a direction perpendicular to the long side of the rectangular laser beam.
  • the incident angle is adjusted so that the incident angle of the rectangular laser beam on the substrate increases in the substrate transport direction or in the direction opposite to the substrate transport direction (Claim 3).
  • Increasing the incident angle in the substrate transport direction increases the crystal grain size in the short side direction, and increasing it in the direction opposite to the substrate transport direction decreases the crystal grain size in the short side direction. . Therefore, the crystal grain size in the short side direction can be adjusted by adjusting the incident angle.
  • the crystal grain size in the short side direction can be made the same as the size of the crystal grain formed in the long side direction.
  • a laser annealing method performed by irradiating a semiconductor film formed on the surface of a substrate with a laser beam, wherein the cross section perpendicular to the traveling direction is rectangular. And generating a polarized rectangular laser beam in which the direction of the electric field is switched alternately between the long side direction and the short side direction of the rectangle, and making the rectangular laser beam incident on the surface of the substrate.
  • a featured laser annealing method is provided (claim 4).
  • a laser annealing apparatus that emits a laser beam by irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam.
  • a pulse controller for controlling the first and second laser oscillators so that the timings of laser pulse emission of the first and second laser oscillators and the first and second laser oscillators are shifted from each other; and the first laser oscillator
  • the first polarization means for linearly polarizing the laser beam from the second laser, the second polarization means for linearly polarizing the laser beam from the second laser oscillator, the laser beam from the first polarization means and the second Beam combining means for combining the laser beam from the polarization means, and the laser beam of the beam combining means force into a rectangular laser beam whose cross section perpendicular to the traveling direction is rectangular and incident on the substrate
  • a rectangular beam generating means for polarizing the laser beam in the long side direction of the rectangle, and the second polarizing means for
  • scattered waves of the incident rectangular laser beam from the semiconductor film surface and standing waves whose directions due to the incident rectangular laser beam are perpendicular to each other are alternately generated on the semiconductor film surface.
  • a polycrystalline or single crystal semiconductor film made of crystals having uniform dimensions in each standing wave direction can be formed. That is, standing waves are alternately generated on the semiconductor film in the long side direction and the short side direction, which are the polarization directions, and periodic energy of the standing wave, that is, a temperature gradient corresponding to this is generated. become.
  • a laser annealing method performed by irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, wherein the first linearly polarized light is applied.
  • a laser annealing apparatus for irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, wherein the laser beam apparatus emits a laser beam.
  • Beam synthesizing means for synthesizing the first and second laser oscillators, the laser beam having the first laser oscillator force, and the laser beam from the second laser oscillator
  • a rectangular beam generating means for making the laser beam of the beam combining means power into a rectangular laser beam whose cross section perpendicular to the traveling direction is rectangular and making it incident on the substrate, the first and second laser oscillators
  • the laser beam with the force is linearly polarized, and the polarization direction of the laser beam from the first laser oscillator and the polarization direction of the laser beam with the second laser oscillator force are perpendicular to each other at the incident position on the substrate.
  • a laser annealing device is provided (claim 12).
  • standing waves are generated in the polarization directions perpendicular to each other on the semiconductor film, and a periodic energy of the standing waves, that is, a temperature gradient corresponding thereto is generated.
  • crystal nuclei are generated at the positions of the periodic energy valleys, and each crystal nucleus grows in a higher temperature direction and collides with each other. The place where it was becomes a grain boundary. Therefore, since the crystal nuclei generated at periodic positions grow under the influence of the same temperature gradient generated in the directions perpendicular to each other, a polycrystalline or single crystal semiconductor composed of crystal grains having uniform dimensions in the directions perpendicular to each other A film can be formed, and as a result, the crystal grain size is uniform between the long side direction and the short side direction.
  • the crystal grows uniformly under the influence of periodic temperature gradients in directions perpendicular to each other.
  • the quality of the polycrystalline or single crystal semiconductor film is improved so that the size of crystal grains in the long side direction and the short side direction is uniform.
  • a laser annealing method performed by irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, the method being perpendicular to the traveling direction.
  • a laser annealing method comprising: generating a circularly polarized rectangular laser beam having a rectangular cross section; and causing the rectangular laser beam to be incident on a surface of a substrate (claim 10). .
  • a laser annealing apparatus for irradiating a semiconductor film formed on the surface of a substrate with a laser beam, wherein the cross section is perpendicular to the traveling direction.
  • a laser annealing apparatus characterized by comprising circularly polarized beam generating means for generating a circularly polarized rectangular laser beam having a rectangular shape and making it incident on the surface of the semiconductor film (claim 13).
  • crystal nuclei are generated at the positions of the periodic energy valleys, and each crystal nucleus grows in a higher temperature direction and collides with each other. The place where it was becomes a grain boundary. Therefore, crystal nuclei generated at periodic positions grow under the influence of a periodic temperature gradient that occurs uniformly in all directions.
  • a single crystal semiconductor film can be formed, and as a result, the crystal grain size is uniform between the long side direction and the short side direction.
  • the crystal grows uniformly under the influence of a periodic temperature gradient that occurs uniformly in all directions.
  • the quality of the polycrystalline or single crystal semiconductor film is improved so that the size of the crystal grains in the long side direction and the short side direction is uniform.
  • a laser annealing method performed by irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, wherein the laser beam is a linearly polarized laser beam.
  • Generating the linearly polarized laser beam unpolarized converting the unpolarized laser beam into a rectangular laser beam having a rectangular cross section perpendicular to the traveling direction, and the rectangular And a step of causing a laser beam to be incident on the surface of the substrate (claim 11).
  • a laser annealing apparatus for irradiating a semiconductor film formed on a surface of a substrate with a laser beam, wherein a linearly polarized laser beam is emitted.
  • a rectangular beam generating means for making the laser beam incident on the substrate (claim 14).
  • the laser beam emitted from the laser oscillator is often linearly polarized, but with this method and apparatus, the linearly polarized laser beam is made unpolarized and incident on the substrate. In this case, no standing wave is generated.
  • the crystal grains are generated at random positions, and the force and the crystal grains grow in random directions. Only the increase of the crystal grain size is suppressed. As a result, the crystal grain size of the semiconductor film is uniformized as a whole, and the crystal grain size between the long side direction and the short side direction is also uniform.
  • crystal grain growth also grows in a random direction, so that the crystal grain size increases only in a specific direction. Is suppressed.
  • the crystal grain size of the semiconductor film is made uniform as a whole, and the quality of the polycrystalline or single crystal semiconductor film is improved so that the crystal grain size is uniform between the long side direction and the short side direction.
  • FIG. 1 A, B, and C are diagrams showing a conventional relationship between energy density on a substrate generated by irradiation with a rectangular laser beam and dimensions of crystal grains to be formed.
  • FIG. 2 A diagram showing a conventional energy distribution in a short side direction of a rectangular laser beam.
  • FIG. 3 is a diagram showing crystal grain sizes obtained by a conventional method.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of an optical system for long sides provided in the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 A and B are diagrams showing energy distribution in the long side direction of a laser beam.
  • FIG. 7 A and B are diagrams showing energy distribution in the short side direction of a laser beam.
  • A, B, and C are diagrams showing the relationship between the energy distribution in the long side direction generated on the substrate surface by irradiation with a rectangular laser beam polarized in the long side direction and the size of the formed crystal grains. is there.
  • A, B, and C show the relationship between the energy distribution in the short side direction generated on the substrate surface and the size of the formed crystal grains by irradiation with a rectangular laser beam polarized in the short side direction. It is.
  • FIG. 13 is a diagram showing crystal grain sizes obtained by irradiation with a rectangular laser beam polarized in the short side direction.
  • FIG. 14 A and B are explanatory diagrams when a rectangular laser beam polarized in the short-side direction is incident obliquely.
  • FIG. 17 is a block diagram of a laser annealing apparatus according to a third embodiment for irradiating a rectangular laser beam onto a substrate while alternately switching the polarization direction between a long side direction and a short side direction.
  • FIG. 18 A and B are diagrams for explaining adjustment of the polarization direction.
  • FIG. 19 is a configuration diagram of a laser annealing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • a fine structure that periodically appears in the polarization direction of the laser beam, that is, in the vibration direction of the electric field is formed.
  • the period of this periodic fine structure is about the wavelength of the laser beam incident on the silicon substrate.
  • Non-Patent Documents 2 and 3 The laser beam incident on the solid from the air is scattered by minute irregularities on the solid surface, and the surface electromagnetic wave is excited between the solid medium and air. The electric field of the surface electromagnetic wave interferes with the electric field of the incident laser beam, and a standing wave having a period of about the wavelength of the laser beam is generated on the solid surface. A periodic fine structure is formed on the solid surface by this standing wave ablation.
  • a laser annealing process is performed on a semiconductor film such as a silicon film using the periodic energy distribution of a standing wave generated by the interference between the surface electromagnetic wave and the incident laser beam. More specifically, using this periodic energy distribution, the growth of crystal grains is controlled to form a polycrystal or single crystal semiconductor film composed of crystal grains grown to a uniform size.
  • FIG. 4 and 5 show the structure of a laser annealing apparatus that performs annealing on an amorphous silicon film on a substrate 1 such as a semiconductor device.
  • the laser annealing apparatus has an optical system for generating a rectangular laser beam.
  • This optical system includes a long-side optical system 2 corresponding to the long-side direction of the rectangular laser beam and a short-side optical system 4.
  • FIG. 4 shows the configuration of the long-side optical system 2
  • FIG. 5 shows the configuration of the short-side optical system 4.
  • the same reference numerals in FIG. 4 and FIG. 5 indicate optical elements shared by the long-side optical system 2 and the short-side optical system 4.
  • the laser annealing apparatus is a laser beam that emits a laser beam.
  • the oscillator (not shown), a polarizing element 5 that linearly polarizes the laser beam emitted from the laser oscillator force, and a beam that generates the linearly polarized beam into a rectangular laser beam having a rectangular cross section perpendicular to the traveling direction And an expander 7.
  • the long side direction and the short side direction of the cross section rectangle of the rectangular laser beam are simply referred to as the long side direction and the short side direction, respectively.
  • the beam expander 7 expands the incident laser beam in the long side direction.
  • the laser annealing apparatus further includes a cylindrical lens array 9 on which the laser beam expanded in the long side direction by the beam expander 7 is incident.
  • the laser annealing apparatus includes a long-side condenser lens 11 that adjusts the length of the rectangular laser beam that has passed through the cylindrical lens array 9 in the long-side direction on the substrate 1, and the cylindrical lens array 9.
  • a short-side condensing lens 12 that condenses the rectangular laser beam that has passed in the short-side direction on the substrate 1 is provided.
  • FIG. 6A shows an energy distribution having a laser beam width A in the long side direction before passing through the beam expander 7.
  • FIG. 6B shows a long side when the amorphous silicon film is irradiated. The energy distribution with direction width A is shown.
  • FIG. 7A shows an energy distribution having a width B of the laser beam in the short side direction before passing through the beam expander 7.
  • FIG. 7B shows a short side when the amorphous silicon film is irradiated.
  • the energy distribution with the direction width B ' is shown. As shown in Fig. 6B, the energy of the rectangular laser beam during irradiation is almost constant in the long-side direction.
  • the laser beam is linearly polarized by the polarizing element 5 described above, and the direction of the polarization is the long side direction. That is, the electric field of the rectangular laser beam applied to the amorphous silicon film is in the long side direction.
  • the laser beam may be linearly polarized by other methods such as reflecting the laser beam with a Brewster angle on a glass surface or the like to make it linearly polarized light.
  • an amorphous silicon film is formed on the surface when a rectangular laser beam is incident on the amorphous silicon film by the long-side optical system 2 and the short-side optical system 4.
  • a transport device (not shown) for transporting the substrate 1 at a predetermined speed in the direction of the arrow in FIG.
  • This transport device allows a rectangular laser beam to enter the semiconductor film surface.
  • the substrate can be transported in a direction perpendicular to the long side direction, and a desired range on the surface of the semiconductor film can be irradiated with a rectangular laser beam.
  • the direction indicated by the arrow in Fig. 8 is perpendicular to the long side direction and corresponds to the short side direction.
  • the direction in which the short side of the rectangular laser beam is vertically projected on the substrate surface is also simply referred to as the short side direction.
  • the transport device constitutes a transport unit.
  • a rectangular laser beam may be generated using another suitable optical system and irradiated to the amorphous silicon film.
  • a periodic temperature distribution is generated corresponding to this periodic energy distribution. Therefore, in the solidification process of molten silicon, crystal grain nuclei are generated at the location cooled to the critical temperature for nucleation. This nucleus is generated at a lower temperature. Specifically, as shown in FIG. 9B, it is the position of the valley of the periodic energy distribution in FIG. 9A. This nucleation site force The point where the nucleus grows in the surrounding high-temperature part and the crystals collide with each other and the growth stops is the grain boundary. As a result, the crystal grains can be periodically positioned depending on the energy distribution as shown in FIG. 9C, and the size of the crystal grains in the long side direction becomes uniform.
  • the energy period of the standing wave is about the wavelength of the rectangular laser beam. Therefore, a desired crystal grain size in the long side direction can be obtained by selecting the wavelength of the rectangular laser beam used for irradiation.
  • the size of the crystal grains to be formed can also be adjusted by changing the energy density of the rectangular laser beam.
  • Figure 10 shows the direction of the electric field in the long side direction and the wavelength. Shows crystal grains in polycrystalline or single crystal silicon obtained by irradiating an amorphous silicon film perpendicularly to a rectangular laser beam having an energy density of 450 to 500 mjZcm 2 .
  • FIG. 11 shows a polycrystalline or single crystal obtained by vertically irradiating an amorphous silicon film with a rectangular laser beam having a long-side electric field and a wavelength of 1 m at an energy density greater than 5 OOmiZcm 2. The crystal grains in the crystalline silicon are shown.
  • FIG. 1 shows the direction of the electric field in the long side direction and the wavelength.
  • the crystal grain size in the long side direction is about 1.0 m, whereas in FIG. 11, the crystal grain size in the long side direction is about 1.5 m.
  • the energy density is increased so that the force of this experiment is also divided, crystal grains with dimensions larger than the energy period of the standing wave described above can be obtained.
  • the laser annealing apparatus is the same as that of the first embodiment, but the polarization direction of the polarizing element 5 is different from that of the first embodiment.
  • the polarizing element 5 linearly polarizes the laser beam emitted from the laser oscillator so that the electric field is directed in the short side direction, and then generates a rectangular laser beam by the beam expander 7. In this way, a rectangular laser beam having an electric field directed in the short side direction is generated and incident on the amorphous silicon film.
  • the long-side optical system 2 and the short-side optical system 4 including the laser oscillator that emits the laser beam and the polarizing element 5 that polarizes in the short-side direction constitute short-side polarized beam generation means.
  • the polarizing element 5 can be omitted.
  • the substrate 1 is moved at a predetermined speed in the short side direction with the rectangular laser beam incident on the amorphous silicon substrate 1. Thereby, the entire amorphous silicon film is irradiated with a rectangular laser beam polarized in the short side direction.
  • the rectangular laser beam incident on the amorphous silicon film is scattered by minute concaves and convexes on the amorphous silicon film to excite surface electromagnetic waves.
  • This surface electromagnetic wave interferes with the incident rectangular laser beam, a standing wave is generated in the short side direction on the surface of the amorphous silicon film. Therefore, this standing wave has periodic energy in the short side direction.
  • incident The energy distribution in the short side direction of the rectangular laser beam is as shown in Fig. 7B as described above.
  • the energy distribution on the amorphous silicon film is the superposition of the periodic energy distribution of this standing wave and the energy distribution in the short side direction of the rectangular laser beam.
  • the curve shown by the solid line in Fig. 12A shows the energy distribution that combines the energy distribution of this standing wave and the energy distribution of the incident rectangular laser beam (the curve shown by the dashed line).
  • a temperature distribution corresponding to this energy distribution is generated in the short side direction of the silicon melted by the energy distribution of FIG. 12A.
  • crystal nuclei are generated at the valleys of the energy distribution.
  • the crystal nucleus grows toward a higher temperature part, and each crystal collides with each other, and the point where the growth stops becomes a grain boundary.
  • FIG. 12C polycrystalline or single crystal silicon composed of crystals with uniform dimensions in the short side direction is formed.
  • the energy period of the standing wave is about the wavelength of the rectangular laser beam. Therefore, the dimension of the short side direction of the formed crystal grain is the interval between the nodes or the antinodes of the standing wave, that is, about a half wavelength of the rectangular laser beam. Therefore, a desired crystal grain size in the short side direction can be obtained by selecting the wavelength of the rectangular laser beam used for irradiation.
  • the size of a crystal grain grown in the long side direction is about several hundred nanometers.
  • the size of the crystal grains in the long side direction and the short side direction can be made the same. Therefore, it is preferable to select the wavelength of the rectangular laser beam so as to be about the crystal grain size in the long side direction of the formed polycrystalline or single crystal silicon. Thereby, the crystal grain size as shown in FIG. 13 can be obtained.
  • the crystal grain size in the short side direction according to the incident angle can be obtained. That is, the crystal grain size in the short side direction can be adjusted by adjusting the incident angle.
  • the incident angle ⁇ is increased in the conveyance direction of the substrate 1! ].
  • the interval X of the standing wave node or belly increases.
  • ⁇ is the wavelength of the laser beam.
  • the incident angle of the rectangular laser beam by adjusting the incident angle of the rectangular laser beam, the period of the standing wave changes, and the polycrystalline or single crystal has a crystal grain force having the same size as the energy period of the standing wave in the short side direction. Silicon can be formed. Thus, the size of the crystal grains can be adjusted by adjusting the incident angle of the rectangular laser beam.
  • the optical system side or the substrate side can be tilted.
  • the optical system side is tilted, for example, the optical system is integrally formed, and the entire optical system is tilted by the swing device.
  • tilt the carrier table that transports the substrate 1 with the swing device tilt the carrier table that transports the substrate 1 with the swing device.
  • the angle at which the rectangular laser beam is incident on the amorphous silicon film is adjusted.
  • the wavelength of the generated standing wave that is, the crystal grain size in the short side direction can be adjusted.
  • the size of the crystal grains to be formed can also be adjusted by changing the energy density of the rectangular laser beam.
  • Figure 15 shows a rectangular laser beam with an electric field of short side and a wavelength of l ju m with an energy density of 450 to 500 mjZcm 2 and an incident angle of 10 degrees in the substrate transport direction. The crystal grains in polycrystalline or single crystal silicon obtained by irradiation are shown.
  • Fig. 16 shows that a rectangular laser beam with an electric field direction of short side and a wavelength of 1 ⁇ m is amorphous with an energy density greater than 500 miZcm 2 and an incident angle of 10 degrees in the substrate transport direction. It shows crystal grains in polycrystalline or single crystal silicon obtained by irradiating the silicon film perpendicularly.
  • the crystal grain size in the short side direction is about 1.0 m
  • the crystal grain size in the short side direction is about 1. ⁇ ⁇ .
  • FIG. 17 shows the configuration of a laser annealing apparatus according to the third embodiment that irradiates an amorphous silicon film with a rectangular laser beam having a rectangular cross section perpendicular to the traveling direction to form polycrystalline or single crystal silicon.
  • This laser annealing apparatus includes a pair of laser oscillators 21 and 22, polarizing elements 24 and 25 provided corresponding to the laser oscillators 21 and 22, a reflection mirror 27 that reflects a laser beam from the laser oscillator 21, 2 And a beam splitter 28 for combining the laser beams from the two laser oscillators 21 and 22.
  • the combined beam of the beam splitter 28 force is incident on an optical system similar to that shown in FIGS. 4 and 5 of the first embodiment to generate a rectangular beam. Is incident on the membrane.
  • FIG. 17 only the long-side optical system 2 corresponding to FIG. 4 is shown as indicated by a broken line (however, the polarizing element 5 of FIG. 4 is not used), and the short-side optical system 4 is that of FIG. Since it is the same as, it is omitted.
  • the polarizing elements 24 and 25 constitute polarizing means, but other appropriate elements may constitute the polarizing means.
  • the long-side optical system 2 and the short-side optical system 4 used in the third embodiment constitute a rectangular beam generating means, but other appropriate ones may constitute the rectangular beam generating means. .
  • the beam splitter 28 and the reflection mirror 27 constitute a beam combining means, but other appropriate ones may constitute the beam combining means.
  • the polarizing elements 24 and 25 linearly polarize the laser beams from the laser oscillators 21 and 22, respectively.
  • the polarization direction by the polarization element 24 is the long side direction
  • the polarization direction by the polarization element 25 is the short side direction.
  • the laser annealing apparatus further includes a pulse control unit 29 that controls the laser oscillators 21 and 22 so that the timings of laser pulse emission from the laser oscillators 21 and 22 are shifted from each other. Accordingly, the polarization direction of the laser beam synthesized by the beam splitter 28 is alternately switched between the long side direction and the short side direction.
  • the laser annealing apparatus further includes a transfer device for transferring the substrate 1 at a predetermined speed in the short side direction, as in the first embodiment.
  • the substrate 1 While the rectangular laser beam in which the direction of the electric field is alternately switched is incident on the amorphous silicon film on the substrate 1, the substrate 1 is transported in the short side direction, so that the entire amorphous silicon film is rectangular laser. Irradiate with a beam.
  • the energy distribution in the long side direction of the irradiation spot on the substrate 1 by the rectangular laser beam with the electric field facing the long side direction is the same as that shown in Fig. 9A, and the rectangular laser beam with the electric field facing the short side direction.
  • the energy distribution in the short-side direction of the irradiated part on the substrate 1 due to is the same as that shown in FIG. 12A. Therefore, temperature distributions corresponding to the energy distributions in FIGS. 9A and 12A are generated in the long side direction and the short side direction of the molten silicon, respectively.
  • nuclei of crystal grains are generated at locations cooled to the critical temperature for nucleation.
  • the location of the crystal case is the valley position of the energy distribution in Figs. 9A and 12A.
  • These crystal nuclei grow in the long side direction and the short side direction where the temperature is high, the crystals collide with each other, and the point where the growth stops becomes the crystal grain boundary.
  • polycrystalline or single crystal silicon composed of crystals having uniform dimensions in the long side direction and the short side direction is formed.
  • the crystal grain size may be adjusted by changing the energy density of the rectangular laser beam! [0071] [Fourth Embodiment]
  • the laser annealing apparatus according to the fourth embodiment is the same as the laser annealing apparatus according to the third embodiment shown in FIG.
  • the pulse controller 29 does not have to control the laser oscillators 21 and 22 so that the timings of laser pulse emission from the laser oscillators 21 and 22 are shifted from each other. That is, the pulse control unit 29 may be configured such that the laser pulses from the power laser oscillators 21 and 22 that control the timing of laser pulse emission from the laser oscillators 21 and 22 overlap each other.
  • the laser oscillators 21 and 22 are configured to emit linearly polarized light, and the polarizing elements 24 and 25 in FIG. 17 can be omitted.
  • the laser oscillators 21 and 22 themselves may emit linearly polarized light. Otherwise, the polarization elements 24 and 25 of FIG. 17 are incorporated in the laser oscillators 21 and 22, respectively. ing.
  • the polarization direction of the laser beam from the first laser oscillator 21 and the polarization direction of the laser beam from the second laser oscillator 22 are at the incident position on the substrate 1!
  • the laser annealing device is set to be vertical! /.
  • standing waves are generated in the polarization directions perpendicular to each other on the amorphous silicon film of the substrate 1, and periodic energy of standing waves similar to that shown in FIG. A temperature gradient will occur.
  • crystal nuclei are generated at the positions of the periodic energy valleys, and each crystal nucleus grows in a higher temperature direction and the portion where the crystal nuclei collide with each other is crystallized. Become a grain boundary. Therefore, the crystal nuclei generated at periodic positions grow under the influence of the same temperature gradient generated in the directions perpendicular to each other, so that the polycrystalline or single crystal semiconductor has a uniform grain force in the directions perpendicular to each other. A film can be formed, and as a result, the crystal grain size is uniform between the long side direction and the short side direction.
  • a polarizing element such as a ⁇ 2 wavelength plate for adjusting the polarization direction may be provided between the beam splitter 28 and the long-side optical system 2 and the short-side optical system 4.
  • this polarizing element for example, as shown in FIG. 18A, the polarization direction of the laser beam is directed from the long side direction to the long side direction as shown in FIG. Short
  • the side force can be tilted by 45 degrees.
  • FIG. 19 shows the configuration of a laser annealing apparatus according to the fifth embodiment for forming polycrystalline or single crystal silicon by irradiating an amorphous silicon film with a rectangular laser beam having a rectangular cross section perpendicular to the traveling direction. .
  • This laser annealing apparatus includes the same laser oscillator 21 as in the fourth embodiment, a linearly polarized laser beam from the laser oscillator 21 that is circularly polarized, a ⁇ 4 wavelength plate 31, and a laser beam from the ⁇ 4 wavelength plate 31.
  • the above-described long-side optical system 2 and short-side optical system 4 (which does not use the polarizing element 5 in FIGS. 4 and 5) are used. In FIG. 19, the short side optical system 4 is omitted for simplicity.
  • the ⁇ 4 wavelength plate 31 constitutes a circular polarization means that circularly polarizes the linearly polarized laser beam, but other appropriate means may constitute the circular polarization means.
  • the laser oscillator 21, the circular polarization means, the long-side optical system 2 and the short-side optical system 4 constitute a circular polarization beam generation means, but other appropriate ones constitute the circular polarization beam generation means.
  • the standing wave generated on the amorphous silicon film circularly moves on a plane perpendicular to the light traveling direction.
  • the periodic energy of the standing wave that is, the temperature gradient corresponding thereto, is uniformly generated in all directions on the semiconductor film surface.
  • crystal nuclei are generated at the positions of the periodic energy valleys, and each crystal nucleus grows in a higher temperature direction and collides with each other. The place where it was becomes a grain boundary. Therefore, crystal nuclei generated at periodic positions grow under the influence of a periodic temperature gradient that occurs uniformly in all directions.
  • a single crystal semiconductor film can be formed, and as a result, the crystal grain size is uniform between the long side direction and the short side direction.
  • the laser annealing apparatus according to the sixth embodiment is the same as the laser annealing apparatus of the fifth embodiment shown in FIG. 19 except for the ⁇ 4 wavelength plate 31.
  • the laser annealing apparatus includes a depolarizing plate that makes the linearly polarized laser beam from the laser oscillator 21 non-polarized instead of the ⁇ 4 wavelength plate 31 of FIG.
  • the depolarizing plate may constitute non-polarizing means with the power of constituting non-polarizing means for making linearly polarized light non-polarized.
  • the linearly polarized laser beam from the laser oscillator 21 can be changed to a non-polarized laser beam. Then, the non-polarized laser beam from the depolarizing plate passes through the long side optical system 2 and the short side optical system 4 to become a rectangular laser beam. Accordingly, a non-polarized rectangular laser beam is incident on the amorphous silicon film of the substrate 1.
  • a linearly polarized laser beam is made non-polarized and incident on the substrate 1, so that a standing wave is generated on the surface of the amorphous silicon film of the substrate 1. Absent. Accordingly, the crystal grain force S is generated at random positions, and the force and the crystal grain growth grow in random directions, so that the crystal grain size is prevented from increasing only in a specific direction. As a result, the crystal grain size of the semiconductor film is uniformized as a whole, and the crystal grain size between the long side direction and the short side direction is also uniform.
  • the crystal grain size may be adjusted by adjusting the shape of the rectangular laser beam in the short side direction.
  • the shape adjustment in the short side direction may be performed by adjusting the length of the short side of the rectangular laser beam. Thereby, the energy gradient in the short side direction can be reduced, and the growth of crystal grains in the short side direction can be suppressed.
  • the present invention can also be applied to other amorphous semiconductor films as well as amorphous silicon films.
  • the amorphous semiconductor film is irradiated with a rectangular laser beam to be modified into a polycrystalline or single crystal semiconductor film.
  • the polycrystalline or single crystal semiconductor film may be irradiated with a rectangular laser beam to improve the quality of the polycrystalline or single crystal semiconductor film. This allows one or both of the long side direction and the short side direction. Since the crystal grows under the influence of a periodic temperature gradient, the polycrystalline or single crystal semiconductor film has a uniform grain size in one or both of the long side direction and the short side direction. Quality is improved.
  • the present invention can be applied to the improvement of the quality of a polycrystalline or single crystal silicon film or another polycrystalline or single crystal semiconductor film.
  • the quality of the polycrystalline or single crystal semiconductor film is improved by suppressing the crystal grain size from increasing only in a specific direction.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)

Abstract

　基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザアニール方法であって、進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の長辺方向を向く直線偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が長辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、前記矩形レーザビームの波長を、定在波方向の所望の結晶粒寸法程度の長さに設定する段階と、を含む。

Description

明 細 書
レーザァニール方法及び装置
発明の背景
[0001] 発明の技術分野
本発明は、半導体装置の製造などにおいて基板上のシリコン膜などの非晶質半導体 膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又は単結晶半導体膜に改質する技術、及 び、基板上の多結晶又は単結晶半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又 は単結晶半導体膜の質を向上させる技術に関する。質を向上させる対象である元の 多結晶又は単結晶半導体膜としては、固相成長により作製した膜や、レーザァニー ルにより作製した膜がある。また、多結晶又は単結晶半導体膜の質の向上とは、 (1) 結晶粒の寸法が大きくなること、（2)結晶粒中にある欠陥が減少すること、及び、（3) 結晶粒間に残っている非晶質部分を結晶化することを言う。
関連技術の説明
[0002] 半導体装置の製造などにおいて基板上に薄膜トランジスタ（以下、 TFT(Thin Film Transistor)と言う）を形成する場合に、 TFTが形成される半導体層として非晶質シリ コン膜などの非晶質半導体膜を用いると、キャリアの移動度が小さいため高速動作が できない。そのため、通常、非晶質シリコン膜をレーザァニールによって結晶化した 多結晶又は単結晶シリコン膜にする。
[0003] 非晶質シリコン膜をレーザァニールによって多結晶又は単結晶シリコン膜にするた めに、進行方向と垂直な断面が矩形のレーザビーム（以下、矩形レーザビームと呼ぶ )を用いることが多い。非晶質シリコン膜が形成された基板をこの矩形の短辺方向に ずらしながら非晶質シリコン膜上に照射していく。矩形レーザビームによって多結晶 又は単結晶シリコン膜を形成する方法は、例えば特許文献 1に開示されて!、る。
[0004] また、本発明に関連する技術として非特許文献 2及び 3がある。これらの文献には、 偏光レーザビームを固体表面に照射した場合に、固体表面に表面電磁波が励起さ れ、この表面電磁波と入射レーザ光との干渉で固体表面に定在波が発生し、これに より、固体表面に微細周期的構造が形成されることが記載されている。 特許文献 1：特開 2003— 347210 「半導体装置およびその製造方法」 特干文献 1： www.nml.co.jp/ new— business/SUB2/investigation/ripples/texture.pdf 非特許文献 2 :レーザ研究 2000年 12月、第 28卷第 12号、頁 824〜828 「レーザ 一誘起表面電磁波による金属，半導体のリップル形成入射角度依存性」
非特許文献 3 :頁 1384〜1401, IEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VO L. QE-22, N0.8, AUGUST, 1986
[0005] 矩形レーザビームの照射によって多結晶又は単結晶シリコンを形成する処理にお いて、結晶粒の成長方向は、温度勾配、即ち、レーザビームのエネルギー勾配の影 響を大きく受ける。図 1に示すように、矩形レーザビームの長辺方向のエネルギーは 一定であるため、長辺方向に関してランダムな位置に核が発生し、結果として、核が ランダムな寸法に成長することになる。
[0006] また、矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布には、図 2に示すように、大 きな勾配がある。従って、結晶成長は短辺方向のエネルギー分布に極めて敏感であ るので、短辺方向の結晶寸法を均一にするのは極めて困難であった。結果として、図 3に示すように、短辺方向の結晶寸法ばらつきは、長辺方向の結晶寸法ばらつきより も大きくなつてしまう。
[0007] このように、従来では、寸法が不均一な結晶粒を有する多結晶又は単結晶シリコン 膜が形成される。従って、この多結晶又は単結晶シリコン膜に TFTを形成すると、チ ャネル部にぉ 、て単位長さあたりの結晶粒の数の違いに起因して TFTの間で性能 がばらついてしまう。また、短辺方向と長辺方向とで結晶粒寸法が大きく異なるので、 長辺方向と短辺方向とで TFTの性能が大きく異なってしまう。これは、 TFTの性能は チャネル部を移動するキャリアが遭遇する結晶粒界が多いほど低下するためである。 発明の要約
[0008] そこで、本発明の第 1の目的は、長辺方向に均一な寸法の結晶粒力もなる多結晶 又は単結晶半導体膜を得ることができるレーザァニール方法を提供することにある。
[0009] また、本発明の第 2の目的は、短辺方向に均一な寸法の結晶粒力 なる多結晶又 は単結晶半導体膜を得ることができるレーザァニール方法及び装置を提供すること にある。 [0010] 本発明の第 3の目的は、長辺方向と短辺方向との間で寸法が均一な結晶粒からな る多結晶又は単結晶半導体膜を得ることができるレーザァニール方法及び装置を提 供することにある。
[0011] 上記第 1の目的を達成するために、本発明によると、基板の表面に形成された半導 体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール方法であって、進行方 向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の長辺方向を向く直線偏光の矩形レーザ ビーム、又は、長軸が長辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する段階 と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、前記矩形レーザビー ムの波長を、定在波方向の所望の結晶粒寸法程度の長さに設定する段階と、を含む
、ことを特徴とするレーザァニール方法が提供される (請求項 1)。
[0012] この方法により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱光と、入射 矩形レーザビームとに起因する定在波を半導体膜表面上に発生させ、定在波方向 に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
すなわち、半導体膜上に偏光方向である長辺方向に定在波が発生し、この定在 波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生じることになる。従つ て、この方法で非晶質半導体膜にレーザァニールを行うと、この周期的エネルギー の谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶ つ力りあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、長 辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、長辺方向の寸法が均一な結 晶粒力 なる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。また、この方法で 多結晶又は単結晶半導体膜にレーザァニールを行うと、長辺方向の周期的な温度 勾配の影響を受けて結晶が成長するので、長辺方向の結晶粒の大きさが均一になる ように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。さらに、矩形レーザビームの 波長を選択することで、長辺方向に所望の結晶粒寸法を得ることができる。
[0013] また、上記第 2の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された 半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール方法であって、進 行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く直線偏光の矩形レ 一ザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成する 段階と、
前記矩形レーザビームを基板に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザァ ニール方法が提供される (請求項 2)。
[0014] また、上記第 2の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された 半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール装置であって、進 行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く偏光した直線偏光 の矩形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを 生成して半導体膜表面に入射させる短辺偏光ビーム生成手段を備えることを特徴と するレーザァニール装置が提供される (請求項 6)。
[0015] この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱 光と、入射矩形レーザビームとに起因する定在波を半導体膜表面上に発生させ、定 在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成すること ができる。
すなわち、半導体膜上に偏光方向である短辺方向に定在波が発生し、又は、楕円 偏光の長軸方向に定在波が強く発生し、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、 これに対応する温度勾配が生じることになる。従って、この方法及び装置で非晶質半 導体膜にレーザァニールを行うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発 生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつ力りあった箇所が結晶粒 界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、短辺方向の同じ温度勾配の 影響を受けて成長するので、短辺方向の寸法が均一な結晶粒力 なる多結晶又は 単結晶半導体膜を形成することができる。また、この方法及び装置で多結晶又は単 結晶半導体膜にレーザァニールを行うと、短辺方向の周期的な温度勾配の影響を 受けて結晶が成長するので、短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶 又は単結晶半導体膜の質が向上される。
[0016] 本発明の好ましい実施形態によると、上記方法は、矩形レーザビームの長辺と垂直 な方向に基板を搬送しながら基板の半導体膜表面を矩形レーザビームで照射する 段階を含み、半導体膜への矩形レーザビームの入射角を、基板の搬送方向、又は、 基板の搬送方向と反対方向に増加させるように、前記入射角を調節する（請求項 3) [0017] 前記入射角を、基板の搬送方向に増加させると、短辺方向の結晶粒寸法が増加し 、基板の搬送方向と反対方向に増加させると、短辺方向の結晶粒寸法が減少する。 従って、前記入射角を調節することで、短辺方向の結晶粒寸法を調整することがで きる。例えば、入射角を調整して、短辺方向の結晶粒寸法を長辺方向に形成される 結晶粒の寸法と同程度にすることができる。
[0018] 上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された半導体 膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール方法であって、進行方向 と垂直な断面が矩形であり、電場の向きが矩形の長辺方向と短辺方向に交互に切り 換わる偏光した矩形レーザビームを生成する段階と、前記矩形レーザビームを基板 の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザァニール方法が提供され る（請求項 4)。
[0019] また、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された 半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール装置であって、レ 一ザビームを出射する第 1及び第 2のレーザ発振器と、第 1及び第 2のレーザ発振器 のレーザパルス出射のタイミングが互いにずれるように第 1及び第 2のレーザ発振器 を制御するパルス制御部と、第 1のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光に する第 1の偏光手段と、第 2のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第 2の偏光手段と、第 1の偏光手段からのレーザビームと第 2の偏光手段からのレーザ ビームとを合成するビーム合成手段と、ビーム合成手段力 のレーザビームを進行方 向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビ ーム生成手段と、を備え、第 1の偏光手段はレーザビームを前記矩形の長辺方向に 偏光させ、第 2の偏光手段はレーザビームを矩形の短辺方向に偏光させることを特 徴とするレーザァニール装置が提供される (請求項 8)。
[0020] この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱 光と、入射矩形レーザビームとに起因する向きが互いに垂直な定在波を半導体膜表 面上に交互に発生させ、各定在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単 結晶半導体膜を形成することができる。 すなわち、半導体膜上に偏光方向である長辺方向及び短辺方向に交互に定在波 が発生し、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生 じることになる。従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザァニールを行 うと、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより 高い方向へ成長し互いにぶつ力りあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な 位置に発生した結晶核は、長辺方向及び短辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて 成長するので、長辺方向及び短辺方向の寸法が均一な結晶粒力 なる多結晶又は 単結晶半導体膜を形成することができる。また、この方法及び装置で多結晶又は単 結晶半導体膜にレーザァニールを行うと、長辺方向及び短辺方向の周期的な温度 勾配の影響を受けて結晶が成長するので、長辺方向及び短辺方向の結晶粒の大き さが均一になるように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
[0021] 本発明の好ましい実施形態によると、前記矩形レーザビームのエネルギー密度を、 又は、前記矩形レーザビームの短辺幅を調整して、形成される多結晶又は単結晶半 導体膜の結晶粒の寸法を調整する (請求項 5)。
[0022] これにより、さらに細かい結晶粒寸法の調整を行うことができ、より均一な結晶粒か らなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができる。
[0023] また、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された 半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール方法であって、直 線偏光した第 1のレーザビームを生成する段階と、直線偏光した第 2のレーザビーム を生成する段階と、前記第 1のレーザビームの偏光方向と、前記第 2のレーザビーム の偏光方向とが垂直になるように、前記第 1のレーザビームと第 2のレーザビームとを 合成する段階と、前記合成されたレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形で ある矩形レーザビームにする段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射さ せる段階と、を含むことを特徴とするレーザァニール方法が提供される (請求項 9)。
[0024] さらに、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成され た半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール装置であって、 レーザビームを出射する第 1及び第 2のレーザ発振器と、第 1のレーザ発振器力 の レーザビームと第 2のレーザ発振器からのレーザビームとを合成するビーム合成手段 と、ビーム合成手段力 のレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形 レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、前記第 1 及び第 2のレーザ発振器力 のレーザビームは直線偏光しており、第 1のレーザ発振 器からのレーザビームの偏光方向と、第 2のレーザ発振器力 のレーザビームの偏光 方向とは、前記基板への入射位置において垂直になっている、ことを特徴とするレー ザァニール装置が提供される (請求項 12)。
[0025] この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの前記半導体膜表面による散乱 光と、入射矩形レーザビームとに起因する向きが互いに垂直な定在波を半導体膜表 面上に発生させ、各定在波方向に寸法が均一な結晶からなる多結晶又は単結晶半 導体膜を形成することができる。
すなわち、半導体膜上に互いに垂直な偏光方向に定在波が発生し、この定在波の 周期的なエネルギー、即ち、これに対応する温度勾配が生じることになる。
従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザァニールを行うと、この周期 的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成 長し互いにぶつ力りあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した 結晶核は、互いに垂直な方向に生じる同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、 互いに垂直な方向に寸法が均一な結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形 成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一とな る。
また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザァニールを行った 場合にも、互いに垂直な各方向での周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が均一 に成長し、その結果、長辺方向及び短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるように 多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
[0026] また、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された 半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール方法であって、進 行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光した矩形レーザビームを生成する段階と 、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とする レーザァニール方法が提供される（請求項 10)。 [0027] さらに、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成され た半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール装置であって、 進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光の矩形レーザビームを生成して半導体 膜表面に入射させる円偏光ビーム生成手段を備えることを特徴とするレーザァニー ル装置が提供される (請求項 13)。
[0028] この方法及び装置により、入射矩形レーザビームの半導体膜表面による散乱光と、 入射矩形レーザビームとに起因する定在波が、半導体膜表面上において偏光方向 に発生する。矩形レーザビームは円偏光ビームであるので、この定在波は、光の進 行方向に垂直な面で円運動する。これにより、この定在波の周期的なエネルギー、 即ち、これに対応する温度勾配が半導体膜表面上のすべての方向に均等に生じる ことになる。
従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザァニールを行うと、この周期 的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成 長し互いにぶつ力りあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した 結晶核は、すべての方向に均等に生じる周期的な温度勾配の影響を受けて成長す るので、すべての方向に寸法が均一な結晶粒力 なる多結晶又は単結晶半導体膜 を形成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均 一となる。
また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザァニールを行った 場合にも、すべての方向に均等に生じる周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が 均一に成長し、その結果、長辺方向及び短辺方向の結晶粒の大きさが均一になるよ うに多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
[0029] また、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成された 半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール方法であって、直 線偏光したレーザビームを生成する段階と、直線偏光した前記レーザビームを無偏 光にする段階と、無偏光の前記レーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形であ る矩形レーザビームにする段階と、前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させ る段階と、を含むことを特徴とするレーザァニール方法が提供される (請求項 11)。 [0030] さらに、上記第 3の目的を達成するため、本発明によると、基板の表面に形成され た半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザァニール装置であって、 直線偏光したレーザビームを出射するレーザ発振器と、該レーザ発振器力ゝらのレー ザビームを無偏光にする無偏光手段と、該無偏光手段からのレーザビームを、進行 方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビームにして、基板上に入射させる矩形 ビーム生成手段と、を備えることを特徴とするレーザァニール装置が提供される (請 求項 14)。
[0031] レーザ発振器から出射されたレーザビームは直線偏光している場合が多いが、この 方法及び装置により、直線偏光したレーザビームを無偏光にして、基板に入射させる ので、基板の半導体膜表面には、定在波が生じない。
従って、この方法及び装置で基板の半導体膜にレーザァニールを行った場合、結 晶粒がランダムな位置に発生し、し力も、結晶粒の成長もランダムな方向に成長する ので、ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制される。その結果 、半導体膜の結晶粒の寸法が全体として均一化され、長辺方向と短辺方向との間で の結晶粒寸法も均一となる。
また、この方法及び装置で多結晶又は単結晶半導体膜にレーザァニールを行った 場合にも、結晶粒の成長もランダムな方向に成長するので、ある特定の方向にのみ 結晶粒の寸法が大きくなることが抑制される。その結果、半導体膜の結晶粒の寸法 が全体として均一化され、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法が均一となる ように多結晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。
本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から 明らかになろう。
図面の簡単な説明
[0032] [図 1]A、 B、 Cは、矩形レーザビームの照射により発生する基板上のエネルギー密度 と、形成される結晶粒寸法との従来の関係を示す図である。
[図 2]従来における、矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を示す図であ る。
[図 3]従来の方法で得られる結晶粒寸法を示す図である。 圆 4]本発明の第 1実施形態によるレーザァニール装置に設けられる長辺用光学系 の構成図である。
圆 5]本発明の第 1実施形態によるレーザァニール装置に設けられる短辺用光学系 の構成図である。
[図 6]A、 Bは、レーザビームの長辺方向のエネルギー分布を示す図である。
[図 7]A、 Bは、レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を示す図である。
圆 8]矩形レーザビームを照射しながら基板を搬送する動作の説明図である。
圆 9]A、 B, Cは、長辺方向に偏光させた矩形レーザビームの照射により、基板表面 で発生する長辺方向のエネルギー分布と、形成される結晶粒寸法との関係を示す図 である。
圆 10]実験により長辺方向に偏光させた矩形ビームを照射して得られた結晶粒寸法 の状態図である。
圆 11]実験により長辺方向に偏光させた高工ネルギー密度の矩形ビームを照射して 得られた結晶粒寸法の状態図である。
圆 12]A、 B、 Cは、短辺方向に偏光させた矩形レーザビームの照射により、基板表 面で発生する短辺方向のエネルギー分布と、形成される結晶粒寸法との関係を示す 図である。
[図 13]短辺方向に偏光させた矩形レーザビームの照射により得られる結晶粒寸法を 示す図である。
[図 14]A、 Bは、短辺方向に偏光させた矩形レーザビームを斜めから入射させる場合 の説明図である。
圆 15]実験により短辺方向に偏光させた矩形レーザビームを照射して得られた結晶 粒寸法の状態図である。
圆 16]実験により短辺方向に偏光させた高工ネルギー密度の矩形ビームを照射して 得られた結晶粒寸法の状態図である。
圆 17]偏光方向を長辺方向と短辺方向に交互に切り換えて矩形レーザビームを基板 に照射するための、第 3実施形態によるレーザァニール装置の構成図である。
[図 18]A、 Bは、偏光方向の調整を説明するための図である。 [図 19]本発明の第 5実施形態によるレーザァニール装置の構成図である。
好ましい実施例の説明
[0033] まず、本発明の原理について説明する。
直線偏光のレーザビームをシリコン基板に入射すると、レーザビームの偏光方向、 即ち、電場の振動方向に周期的に現れる微細構造が形成される。この周期的微細 構造の周期は、シリコン基板に入射させたレーザビームの波長程度である。
[0034] この現象について簡単に説明する（より詳しくは、非特許文献 2及び 3を参考)。空 気中から固体に入射したレーザビームは固体表面の微小な凹凸によって散乱され表 面電磁波が固体媒質と空気との間に励起される。この表面電磁波の電界と入射レー ザビームの電界が干渉し、固体表面にレーザ光の波長程度の周期を持つ定在波が 生じる。この定在波によるアブレーシヨンによって、周期的微細構造が固体表面に形 成される。
[0035] 本発明は、この表面電磁波と入射レーザビームの干渉によって発生する定在波の 周期的エネルギー分布を利用して、シリコン膜などの半導体膜にレーザァニール処 理を行う。より具体的には、この周期的なエネルギー分布を利用して、結晶粒の成長 を制御して均一な寸法に成長した結晶粒からなる多結晶又は単結晶半導体膜を形 成する。
[0036] 以下において、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各 図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
[0037] 〔第 1実施形態〕
図 4及び図 5は、半導体装置などの基板 1上の非晶質シリコン膜にァニール処理を 行うレーザァニール装置の構成を示している。レーザァニール装置は、矩形レーザビ ームを生成するための光学系を有する。この光学系は、この矩形レーザビームの長 辺方向に対応する長辺用光学系 2と、短辺用光学系 4とから構成される。図 4は長辺 用光学系 2の構成を示し、図 5は短辺用光学系 4の構成を示している。図 4と図 5にお いて同一の符号は、長辺用光学系 2と短辺用光学系 4で共有される光学要素を示し ている。
[0038] 図 4及び図 5に示すように、レーザァニール装置は、レーザビームを出射するレー ザ発振器 (図示せず)と、レーザ発振器力ゝら出射されたレーザビームを直線偏光させ る偏光素子 5と、この直線偏光ビームを進行方向に垂直な断面が矩形の矩形レーザ ビームに生成するビームエキスパンダ 7と、を備える。以下の説明において、矩形レ 一ザビームの断面矩形の長辺方向及び短辺方向を、それぞれ単に長辺方向及び短 辺方向と言う。
[0039] ビームエキスパンダ 7は入射レーザビームを長辺方向に拡大する。レーザァニール 装置は、ビームエキスパンダ 7により長辺方向に拡大されたレーザビームが入射され るシリンドリカルレンズアレイ 9をさらに備える。
[0040] また、レーザァニール装置は、シリンドリカルレンズアレイ 9を通過した矩形レーザビ ームを基板 1上での長辺方向の長さを調整する長辺用集光レンズ 11と、シリンドリカ ルレンズアレイ 9を通過した矩形レーザビームを基板 1上の短辺方向に関して集光さ せる短辺用集光レンズ 12とを備える。
[0041] 図 6Aは、ビームエキスパンダ 7を通過する前の長辺方向のレーザビームの幅 Aを 持つエネルギー分布を示しており、図 6Bは、非晶質シリコン膜を照射する時の長辺 方向の幅 A，を持つエネルギー分布を示している。また、図 7Aは、ビームエキスパン ダ 7を通過する前の短辺方向のレーザビームの幅 Bを持つエネルギー分布を示して おり、図 7Bは、非晶質シリコン膜を照射する時の短辺方向の幅 B'を持つエネルギー 分布を示している。図 6Bに示すように、照射時の矩形レーザビームのエネルギーは 、長辺方向にほぼ一定である。
[0042] 第 1実施形態によると、上述の偏光素子 5によりレーザビームは直線偏光されるが、 その偏光の向きは長辺方向である。即ち、非晶質シリコン膜に照射される矩形レーザ ビームの電場は長辺方向を向いている。なお、偏光素子 5の代わりに、ガラス面など でレーザビームをブリュースター角で反射させて直線偏光にするなど、他の方法で直 線偏光させてもよい。
[0043] また、レーザァニール装置は、長辺用光学系 2及び短辺用光学系 4により非晶質シ リコン膜に矩形レーザビームを入射させている時に、非晶質シリコン膜が表面に形成 された基板 1を、図 8の矢印方向に所定の速度で搬送する搬送装置（図示せず)をさ らに備える。この搬送装置により、矩形レーザビームを半導体膜表面に入射させなが ら、長辺方向と垂直な方向に基板を搬送して半導体膜表面の所望の範囲を矩形レ 一ザビームで照射することができる。図 8の矢印で示される方向は、長辺方向に垂直 であり短辺方向に対応する。以下、矩形レーザビームの短辺を基板表面上に垂直投 影させた方向も、単に短辺方向と言う。なお、搬送装置は搬送手段を構成する。
[0044] なお、他の適切な光学系を用いて矩形レーザビームを生成して非晶質シリコン膜に 照射してちょい。
[0045] この長辺方向に偏光した矩形レーザビームを基板 1上の非晶質シリコン膜に照射 することで、非晶質シリコン膜表面の微小な凹凸で散乱されて励起された表面電磁 波と矩形レーザビームとが干渉して生じる非晶質シリコン膜上の定在波に対応して長 辺方向に周期的なエネルギー分布が発生する。図 9Aは、この定在波に対応する長 辺方向の周期的なエネルギー分布を示して!/ヽる。
[0046] 非晶質シリコン膜には、この周期的なエネルギー分布に対応して周期的な温度分 布が生じる。従って、溶融シリコンの凝固過程において、核発生の臨界温度まで冷却 された箇所に結晶粒の核が発生する。この核の発生箇所は、温度のより低い箇所で あり、具体的には、図 9Bに示すように、図 9Aの周期的エネルギー分布の谷の位置 である。この核発生箇所力 核が周辺の温度の高い部分に向力つて成長して互いの 結晶がぶつ力りあい成長が止まった箇所が結晶粒界となる。結果的に、結晶粒が、 図 9Cに示すようにエネルギー分布に依存した周期的な位置にできることになり、長 辺方向の結晶粒の寸法が均一になる。
[0047] このように矩形レーザを照射しながら、基板 1を短辺方向に搬送して非晶質シリコン 膜全体を矩形レーザビームで照射する。この時、レーザビームの長辺方向のェネル ギー分布は時間的に変化しないため、長辺方向に等間隔の結晶をシリコン膜全体に わたって形成することができる。
[0048] また、定在波のエネルギー周期は矩形レーザビームの波長程度になる。従って、照 射に用いる矩形レーザビームの波長を選択することで、長辺方向の所望の結晶粒寸 法を得ることができる。
[0049] また、矩形レーザビームのエネルギー密度を変化させることによつても、形成される 結晶粒の寸法を調整することができる。図 10は、電場の向きが長辺方向であり波長 が l ju mの矩形レーザビームをエネルギー密度 450〜500mjZcm2で非晶質シリコ ン膜に垂直に照射して得られた多結晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している 。一方、図 11は、電場の向きが長辺方向であり波長が 1 mの矩形レーザビームを 5 OOmiZcm2より大きいエネルギー密度で非晶質シリコン膜に垂直に照射して得られ た多結晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している。図 10では、長辺方向の結晶 粒寸法は 1. 0 m程度であるのに対して、図 11では、長辺方向の結晶粒寸法は 1. 5 m程度である。この実験結果力も分力るように、エネルギー密度を増加すると、上 述の定在波のエネルギー周期よりも大きい寸法の結晶粒が得られる。
[0050] なお、直線偏光レーザビームの代わりに、長軸が長辺方向を向いた楕円偏光のレ 一ザビーム力 矩形レーザビームを生成しても、上述と同様の効果が得られる。
[0051] 〔第 2実施形態〕
次に、本発明の第 2実施形態について説明する。
第 2実施形態では、レーザァニール装置は第 1実施形態のものと同じであるが、偏 光素子 5の偏光方向が第 1実施形態と異なる。第 2実施形態では、偏光素子 5は、レ 一ザ発振器から出射されたレーザビームを電場が短辺方向を向くように直線偏光さ せ、その後ビームエキスパンダ 7により矩形レーザビームを生成する。このようにして、 電場が短辺方向を向いた矩形レーザビームを生成して、非晶質シリコン膜に入射さ せる。なお、レーザビームを出射させるレーザ発振器と、短辺方向に偏光させる偏光 素子 5を含む長辺用光学系 2及び短辺用光学系 4は、短辺偏光ビーム生成手段を構 成する。レーザ発振器が短辺方向に直線偏光したレーザビームを出射する場合には 、偏光素子 5を省略できる。
[0052] 第 1実施形態と同様に図 8に示すように、矩形レーザビームが非晶質シリコン基板 1 上に入射している状態で、短辺方向に基板 1を所定速度で移動させる。これにより、 非晶質シリコン膜全体に短辺方向に偏光した矩形レーザビームを照射する。
[0053] 非晶質シリコン膜に入射した矩形レーザビームが、非晶質シリコン膜上の微小な凹 凸により散乱されて表面電磁波が励起される。この表面電磁波と入射してくる矩形レ 一ザビームとが干渉することで、非晶質シリコン膜表面に短辺方向に定在波が発生 する。従って、この定在波は短辺方向に周期的なエネルギーを持つ。一方、入射す る矩形レーザビームの短辺方向のエネルギー分布は、上述したように図 7Bに示すよ うになる。この定在波の周期的なエネルギー分布と矩形レーザビームの短辺方向の エネルギー分布を重ね合わせたもの力 非晶質シリコン膜上のエネルギー分布にな る。図 12Aの実線で表した曲線は、この定在波のエネルギー分布と、入射してくる矩 形レーザビームのエネルギー分布 (破線で示した曲線）とを合わせたエネルギー分 布を示している。
[0054] 図 12Aのエネルギー分布によって溶融したシリコンの短辺方向には、このエネルギ 一分布に対応した温度分布が発生する。図 12Bに示すように、エネルギー分布の谷 の位置に結晶核が発生する。その後、短辺方向で結晶核は温度のより高い箇所に 向かって成長し、互いの結晶がぶっかり合い、成長が止まった箇所が結晶粒界とな る。結果として、図 12Cに示すように短辺方向に寸法が均一の結晶からなる多結晶 又は単結晶シリコン形成される。
定在波のエネルギー周期は矩形レーザビームの波長程度になる。従って、形成さ れる結晶粒の短辺方向の寸法は、定在波の節又は腹の間隔、即ち、矩形レーザビ 一ムの半波長程度となる。よって、照射に用いる矩形レーザビームの波長を選択する ことで、短辺方向の所望の結晶粒寸法を得ることができる。
[0055] 一方、図 6Bを参照して上述したように、矩形レーザビームの長辺方向のエネルギ 一は一定であるので、長辺方向にはランダムな位置に結晶核が発生し、長辺方向に ランダムな寸法に成長した結晶粒が形成される。典型的には、長辺方向に成長した 結晶粒の寸法は数百ナノメートル程度になる。数百ナノメートル程度の波長を用いる ことで、長辺方向と短辺方向の結晶粒の寸法を同程度にするこができる。従って、形 成される多結晶又は単結晶シリコンの長辺方向の結晶粒寸法程度になるように矩形 レーザビームの波長を選択することが好ましい。これにより、図 13に示すような結晶 粒寸法を得ることができる。
[0056] さらに、第 2実施形態によると、非晶質シリコン膜への矩形レーザビームの入射角 を調整して基板 1を搬送させながら矩形レーザビームを非晶質シリコン膜に入射させ ると、入射角に応じた短辺方向の結晶粒寸法を得ることができる。即ち、入射角を調 整することで、短辺方向の結晶粒寸法を調整することができる。以下、これについて 説明する。
[0057] 図 14Aのように入射角 Θを基板 1の搬送方向に増力！]させると、〔数 1〕で示すように、 この定在波の節又は腹の間隔 Xは増加する。なお、〔数 1〕において、 λはレーザビ ームの波長である。
[数 1]
1一 s i n u
[0058] 一方、図 14Bのように入射角 Θを基板 1の搬送方向と反対方向に増加させると、〔 数 2〕で示すように、この定在波の節又は腹の間隔 Xは減少する。なお、〔数 2〕におい て、 λはレーザビームの波長である。これに関する説明は非特許文献 1に記載されて いる。
[数 2]
[0059] 従って、矩形レーザビームの入射角を調整することで、定在波の周期が変化し、短 辺方向においてこの定在波のエネルギー周期と同じ寸法の結晶粒力もなる多結晶 又は単結晶シリコンを形成することができる。このように、矩形レーザビームの入射角 を調整して結晶粒の寸法を調整することができる。
[0060] 矩形レーザビームの入射角を調整するには、光学系側又は基板側を傾けることが できる。光学系側を傾ける場合には、例えば、光学系を一体的に構成しておき、光学 系全体を揺動装置で傾ける。基板側を傾ける場合には、基板 1を搬送する搬送台を 揺動装置で傾ける。これらの揺動装置は公知の適切なものであってよい。光学系又 は搬送台を傾ける揺動装置は入射角調整手段を構成する。
[0061] 第 2実施形態によると矩形レーザビームの波長を選択する代わりに、又は、矩形レ 一ザビームの波長の選択に加えて、矩形レーザビームが非晶質シリコン膜に入射す る角度を調整することで、発生する定在波の波長、即ち、短辺方向の結晶粒寸法を 調整することができる。 [0062] また、矩形レーザビームのエネルギー密度を変化させることによつても、形成される 結晶粒の寸法を調整することができる。図 15は、電場の向きが短辺方向であり波長 が l ju mの矩形レーザビームを、エネルギー密度 450〜500mjZcm2で、入射角を 基板搬送方向へ 10度にして、非晶質シリコン膜に照射して得られた多結晶又は単結 晶シリコン中の結晶粒を示している。一方、図 16は、電場の向きが短辺方向であり波 長が 1 μ mの矩形レーザビームを、 500miZcm2より大きいエネルギー密度で、入射 角を基板搬送方向へ 10度にして、非晶質シリコン膜に垂直に照射して得られた多結 晶又は単結晶シリコン中の結晶粒を示している。図 15では、短辺方向の結晶粒寸法 は 1. 0 m程度であるのに対して、図 16では、短辺方向の結晶粒寸法は 1. δ μ η 程度である。この実験結果力 分力るように、エネルギー密度を増加すると、上述の 定在波のエネルギー周期よりも大きい寸法の結晶粒が得られる。
[0063] 〔第 3実施形態〕
次に、本発明の第 3実施形態について説明する。
図 17は、第 3実施形態による進行方向に垂直な断面が矩形の矩形レーザビームを 非晶質シリコン膜に照射して多結晶又は単結晶シリコンを形成するレーザァニール 装置の構成を示している。このレーザァニール装置は、 1対のレーザ発振器 21, 22 と、各レーザ発振器 21, 22に対応して設けられる偏光素子 24, 25と、レーザ発振器 21からのレーザビームを反射させる反射ミラー 27と、 2つのレーザ発振器 21, 22か らのレーザービームを合成するビームスプリッタ 28と、を備える。ビームスプリッタ 28 力 の合成ビームは、第 1実施形態の図 4及び図 5に示されたものと同様の光学系に 入射されて矩形ビームが生成され、この矩形ビームが基板 1の非晶質シリコン膜に入 射される。図 17では、破線で示すように図 4に対応する長辺用光学系 2のみを示して おり（ただし、図 4の偏光素子 5は用いない）、短辺用光学系 4は図 5のものと同じなの で省略する。なお、偏光素子 24, 25は偏光手段を構成するが、他の適切なもので偏 光手段を構成してもよい。また、第 3実施形態で用いている長辺用光学系 2及び短辺 用光学系 4は矩形ビーム生成手段を構成するが、他の適切なもので矩形ビーム生成 手段を構成してもよ ヽ。ビームスプリッタ 28と反射ミラー 27はビーム合成手段を構成 するが、他の適切なものでビーム合成手段を構成してもよ 、。 [0064] 第 3実施形態によると、偏光素子 24, 25はそれぞれレーザ発振器 21、 22からのレ 一ザビームを直線偏光させる。偏光素子 24による偏光方向は長辺方向であり、偏光 素子 25による偏光方向は短辺方向である。
[0065] また、第 3実施形態にいるレーザァニール装置は、レーザ発振器 21, 22からのレ 一ザパルス出射のタイミングが互いにずれるように、レーザ発振器 21, 22を制御する パルス制御部 29をさらに備える。従って、ビームスプリッタ 28により合成されたレーザ ビームの偏光方向は長辺方向と短辺方向に交互に切り換わっていることになる。
[0066] また、レーザァニール装置は、第 1実施形態と同様に、基板 1を短辺方向に所定速 度で搬送する搬送装置をさらに備える。
[0067] 電場の向きが交互に切り換わる矩形レーザビームを基板 1上の非晶質シリコン膜に 入射させながら、基板 1を短辺方向に搬送することで、非晶質シリコン膜全体を矩形 レーザビームで照射する。
[0068] 電場が長辺方向を向いた矩形レーザビームによる基板 1上の照射箇所の長辺方向 エネルギー分布は図 9Aに示されるものと同じであり、電場が短辺方向を向いた矩形 レーザビームによる基板 1上の照射箇所の短辺方向エネルギー分布は図 12Aに示 されるものと同じである。よって、溶融したシリコンの長辺方向及び短辺方向には、そ れぞれ図 9A及び図 12Aのエネルギー分布に対応した温度分布が発生する。溶融 シリコンの凝固過程において、核発生の臨界温度まで冷却された箇所に結晶粒の核 が発生する。結晶格の発生箇所は図 9A及び図 12Aのエネルギー分布の谷の位置 である。これらの結晶核は温度の高い長辺方向及び短辺方向に向かって成長し、結 晶が互いにぶつ力り合い、成長が止まった箇所が結晶粒界となる。結果として、長辺 方向及び短辺方向に寸法が均一の結晶からなる多結晶又は単結晶シリコンが形成 される。
[0069] なお、電場の向きが長辺方向と短辺方向に交互に切り換わる合成レーザビームの 代わりに、円偏光したレーザビームを用いて矩形ビームを生成しても上述と同様の効 果が得られる。
[0070] また、第 3実施形態でも、矩形レーザビームのエネルギー密度を変化させて、結晶 粒の寸法を調整してもよ!/ヽ。 [0071] [第 4実施形態]
次に、本発明の第 4実施形態について説明する。
第 4実施形態によるレーザァニール装置は、図 17に示す第 3実施形態のレーザァ ニール装置と同様である。
ただし、第 4実施形態では、パルス制御部 29は、レーザ発振器 21, 22からのレー ザパルス出射のタイミングが互いにずれるように、レーザ発振器 21, 22を制御しなく てもよい。即ち、パルス制御部 29は、レーザ発振器 21、 22からのレーザパルス出射 のタイミングを制御する力 レーザ発振器 21、 22からのレーザパルスが互いに重なつ ていてもよい。また、レーザ発振器 21、 22は、直線偏光を出射するように構成されて おり、図 17の偏光素子 24、 25が省略することができる。例えば、レーザ発振器 21、 2 2自体が直線偏光を出射するものであってもよいが、そうでない場合には、レーザ発 振器 21、 22に、それぞれ図 17の偏光素子 24、 25が組み込まれている。
[0072] 第 4実施形態によると、第 1のレーザ発振器 21からのレーザビームの偏光方向と、 第 2のレーザ発振器 22からのレーザビームの偏光方向とは、基板 1への入射位置に お!、て垂直になって!/、るように、レーザァニール装置が設定される。
[0073] 従って、基板 1の非晶質シリコン膜上に互いに垂直な偏光方向に定在波が発生し、 図 9Aに示すものと同様な定在波の周期的なエネルギーが生じ、これに対応する温 度勾配が生じることになる。
その結果、第 3実施形態の場合と同様に、この周期的エネルギーの谷の位置に結 晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつ力りあった箇所 が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した結晶核は、互いに垂直な方向 に生じる同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、互いに垂直な方向に寸法が 均一な結晶粒力もなる多結晶又は単結晶半導体膜を形成することができ、その結果 、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均一となる。
[0074] 第 4実施形態では、ビームスプリッタ 28と長辺用光学系 2及び短辺用光学系 4との 間に、偏光方向を調節する λ Ζ2波長板などの偏光素子を設けてもよい。この偏光 素子により、例えば、図 18Aのように、レーザビームの偏光方向が長辺方向と短辺方 向に向いている状態から、図 18Bのように、レーザビームの偏光方向が長辺方向と短 辺方向力も 45度だけ傾いている状態にすることができる。
[0075] [第 5実施形態]
次に、本発明の第 5実施形態について説明する。
図 19は、第 5実施形態による、進行方向に垂直な断面が矩形の矩形レーザビーム を非晶質シリコン膜に照射して多結晶又は単結晶シリコンを形成するレーザァニー ル装置の構成を示している。
このレーザァニール装置は、第 4実施形態と同様のレーザ発振器 21と、レーザ発 振器 21からの直線偏光レーザビームを円偏光にする λ Ζ4波長板 31と、 λ Ζ4波長 板 31からのレーザビームを矩形レーザビームにする上述した長辺用光学系 2及び短 辺用光学系 4 (ただし、図 4、図 5の偏光素子 5は用いない）と、を備える。図 19におい て、簡単のため短辺用光学系 4は省略してある。
なお、 λ Ζ4波長板は 31、直線偏光レーザビームを円偏光にする円偏光手段を構 成するが、他の適切なもので円偏光手段を構成してもよい。また、レーザ発振器 21、 円偏光手段、長辺用光学系 2及び短辺用光学系 4は、円偏光ビーム生成手段を構 成するが、他の適切なもので円偏光ビーム生成手段を構成してもよ 、。
[0076] このような構成を有するレーザァニール装置により、基板 1の非晶質シリコン膜上に 円偏光の矩形レーザビームを入射させる。
これにより、非晶質シリコン膜上で発生する定在波は、光の進行方向に垂直な面で 円運動する。これにより、この定在波の周期的なエネルギー、即ち、これに対応する 温度勾配が半導体膜表面上のすべての方向に均等に生じることになる。
従って、この方法及び装置で非晶質半導体膜にレーザァニールを行うと、この周期 的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成 長し互いにぶつ力りあった箇所が結晶粒界となる。よって、周期的な位置に発生した 結晶核は、すべての方向に均等に生じる周期的な温度勾配の影響を受けて成長す るので、すべての方向に寸法が均一な結晶粒力 なる多結晶又は単結晶半導体膜 を形成することができ、その結果、長辺方向と短辺方向との間での結晶粒寸法も均 一となる。
[0077] [第 6実施形態] 次に、本発明の第 6実施形態について説明する。
第 6実施形態によるレーザァニール装置は、上記 λ Ζ4波長板 31を除いて図 19に 示す第 5実施形態のレーザァニール装置と同様である。
第 6実施形態によると、レーザァニール装置は、図 19の λ Ζ4波長板 31の代わりに 、レーザ発振器 21からの直線偏光レーザビームを無偏光にする偏光解消板を備え る。なお、偏光解消板は直線偏光を無偏光にする無偏光手段を構成する力 他の適 切なもので無偏光手段を構成してもよ ヽ。
[0078] この偏光解消板により、レーザ発振器 21からの直線偏光レーザビームを無偏光の レーザビームにすることができる。そして、偏光解消板からの無偏光のレーザビーム が長辺用光学系 2及び短辺用光学系 4を通過して矩形レーザビームになる。従って、 無偏光の矩形レーザビームが基板 1の非晶質シリコン膜に入射される。
[0079] このように、第 6実施形態によると、直線偏光したレーザビームを無偏光にして、基 板 1に入射させるので、基板 1の非晶質シリコン膜表面には、定在波が生じない。 従って、結晶粒力 Sランダムな位置に発生し、し力も、結晶粒の成長もランダムな方向 に成長するので、ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制される 。その結果、半導体膜の結晶粒の寸法が全体として均一化され、長辺方向と短辺方 向との間での結晶粒寸法も均一となる。
[0080] [その他の実施形態]
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範 囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、矩形レーザビームの短辺方向 の形状を調整して結晶粒寸法を調整してもよい。この短辺方向の形状調整は、矩形 レーザビームの短辺の長さを調整して行ってよい。これにより、短辺方向のエネルギ 一勾配を小さくすることができ、結晶粒の短辺方向の成長を抑制できる。また、本発 明は、非晶質シリコン膜だけでなぐ他の非晶質半導体膜にも適用できる。
[0081] さらに、上述の実施形態は、非晶質半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結 晶又は単結晶半導体膜に改質する場合のものであるが、非晶質半導体膜の代わり に多結晶又は単結晶半導体膜に矩形レーザビームを照射して多結晶又は単結晶半 導体膜の質を向上させてもよい。これにより、長辺方向及び短辺方向の一方又は両 方に周期的な温度勾配の影響を受けて結晶が成長するので、長辺方向及び短辺方 向の一方又は両方の結晶粒の大きさが均一になるように多結晶又は単結晶半導体 膜の質が向上される。この場合、本発明は多結晶又は単結晶シリコン膜や他の多結 晶又は単結晶半導体膜の質向上に適用できる。ただし、第 6実施形態の場合には、 ある特定の方向にのみ結晶粒の寸法が大きくなることが抑制されることにより、多結 晶又は単結晶半導体膜の質が向上される。

Claims

請求の範囲
[1] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の長辺方向を向く直線偏光の矩 形レーザビーム、又は、長軸が長辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成 する段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、
前記矩形レーザビームの波長を、定在波方向の所望の結晶粒寸法程度の長さに 設定する段階と、を含む、ことを特徴とするレーザァニール方法。
[2] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く直線偏光の矩 形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビームを生成 する段階と、
前記矩形レーザビームを基板に入射させる段階と、を含むことを特徴とするレーザ ァニール方法。
[3] 矩形レーザビームの長辺と垂直な方向に基板を搬送しながら基板の半導体膜表面 を矩形レーザビームで照射する段階を含み、
半導体膜への矩形レーザビームの入射角を、基板の搬送方向、又は、基板の搬送 方向と反対方向に増加させるように、前記入射角を調節することを特徴とする請求項 2に記載のレーザァニール方法。
[4] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場の向きが矩形の長辺方向と短辺方向に 交互に切り換わる偏光した矩形レーザビームを生成する段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とする レーザァニール方法。
[5] 前記矩形レーザビームのエネルギー密度を、又は、前記矩形レーザビームの短辺 幅を調整して、形成される多結晶又は単結晶半導体膜の結晶粒の寸法を調整する ことを特徴とする請求項 1乃至 4に記載のレーザァニール方法。
[6] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール装置であって、
進行方向と垂直な断面が矩形であり、電場が矩形の短辺方向を向く偏光した直線 偏光の矩形レーザビーム、又は、長軸が短辺方向を向く楕円偏光の矩形レーザビー ムを生成して半導体膜表面に入射させる短辺偏光ビーム生成手段を備えることを特 徴とするレーザァニール装置。
[7] 矩形レーザビームの長辺と垂直な方向に基板を搬送する搬送手段と、
半導体膜への矩形レーザビームの入射角を、基板の搬送方向、又は、基板の搬送 方向と反対方向に増加させる入射角調整手段と、を備えることを特徴とする請求項 6 に記載のレーザァニール装置。
[8] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール装置であって、
レーザビームを出射する第 1及び第 2のレーザ発振器と、
第 1及び第 2のレーザ発振器のレーザパルス出射のタイミングが互いにずれるよう に第 1及び第 2のレーザ発振器を制御するパルス制御部と、
第 1のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第 1の偏光手段と、 第 2のレーザ発振器からのレーザビームを直線偏光にする第 2の偏光手段と、 第 1の偏光手段力 のレーザビームと第 2の偏光手段力 のレーザビームとを合成 するビーム合成手段と、
ビーム合成手段からのレーザビームを進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レ 一ザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、
第 1の偏光手段はレーザビームを前記矩形の長辺方向に偏光させ、第 2の偏光手 段はレーザビームを矩形の短辺方向に偏光させることを特徴とするレーザァニール 装置。
[9] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール方法であって、 直線偏光した第 1のレーザビームを生成する段階と、
直線偏光した第 2のレーザビームを生成する段階と、
前記第 1のレーザビームの偏光方向と、前記第 2のレーザビームの偏光方向とが垂 直になるように、前記第 1のレーザビームと第 2のレーザビームとを合成する段階と、 前記合成されたレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザ ビームにする段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とする レーザァニール方法。
[10] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール方法であって、
進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光した矩形レーザビームを生成する段 階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とする レーザァニール方法。
[11] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール方法であって、
直線偏光したレーザビームを生成する段階と、
直線偏光した前記レーザビームを無偏光にする段階と、
無偏光の前記レーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レーザビ ームにする段階と、
前記矩形レーザビームを基板の表面に入射させる段階と、を含むことを特徴とする レーザァニール方法。
[12] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール装置であって、
レーザビームを出射する第 1及び第 2のレーザ発振器と、
第 1のレーザ発振器力 のレーザビームと第 2のレーザ発振器力 のレーザビーム とを合成するビーム合成手段と、
ビーム合成手段からのレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形 レーザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備え、 前記第 1及び第 2のレーザ発振器力 のレーザビームは直線偏光しており、 第 1のレーザ発振器力 のレーザビームの偏光方向と、第 2のレーザ発振器力 の レーザビームの偏光方向とは、前記基板への入射位置において垂直になっている、 ことを特徴とするレーザァニール装置。
[13] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール装置であって、
進行方向と垂直な断面が矩形である、円偏光の矩形レーザビームを生成して半導 体膜表面に入射させる円偏光ビーム生成手段を備えることを特徴とするレーザァ- ール装置。
[14] 基板の表面に形成された半導体膜にレーザビームを照射することにより行うレーザ ァニール装置であって、
直線偏光したレーザビームを出射するレーザ発振器と、
該レーザ発振器からのレーザビームを無偏光にする無偏光手段と、
該無偏光手段からのレーザビームを、進行方向と垂直な断面が矩形である矩形レ 一ザビームにして、基板上に入射させる矩形ビーム生成手段と、を備えることを特徴 とするレーザァニール装置。
PCT/JP2006/318006 2005-09-14 2006-09-12 レーザアニール方法及び装置 Ceased WO2007032322A1 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/916,687 US7833871B2 (en) 2005-09-14 2006-09-12 Laser annealing method and device
EP06797813A EP1926131A4 (en) 2005-09-14 2006-09-12 LASER GLOW PROCESS AND DEVICE
CN2006800229921A CN101208778B (zh) 2005-09-14 2006-09-12 激光退火的方法及装置
US12/946,051 US8299553B2 (en) 2005-09-14 2010-11-15 Laser annealing method and device
US13/608,818 US8629522B2 (en) 2005-09-14 2012-09-10 Laser annealing method and device
US14/138,273 US9058994B2 (en) 2005-09-14 2013-12-23 Laser annealing method and device
US14/732,920 US20150348781A1 (en) 2005-09-14 2015-06-08 Laser annealing method and device

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005266607 2005-09-14
JP2005-266607 2005-09-14
JP2006027096A JP2007110064A (ja) 2005-09-14 2006-02-03 レーザアニール方法及び装置
JP2006-027096 2006-02-03

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US11/916,687 A-371-Of-International US7833871B2 (en) 2005-09-14 2006-09-12 Laser annealing method and device
US12/946,051 Continuation US8299553B2 (en) 2005-09-14 2010-11-15 Laser annealing method and device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007032322A1 true WO2007032322A1 (ja) 2007-03-22

Family

ID=37864915

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2006/318006 Ceased WO2007032322A1 (ja) 2005-09-14 2006-09-12 レーザアニール方法及び装置

Country Status (7)

Country Link
US (5) US7833871B2 (ja)
EP (1) EP1926131A4 (ja)
JP (1) JP2007110064A (ja)
KR (1) KR100967072B1 (ja)
CN (1) CN101208778B (ja)
TW (1) TWI342049B (ja)
WO (1) WO2007032322A1 (ja)

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007110064A (ja) 2005-09-14 2007-04-26 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd レーザアニール方法及び装置
US7569463B2 (en) 2006-03-08 2009-08-04 Applied Materials, Inc. Method of thermal processing structures formed on a substrate
JP5291895B2 (ja) * 2007-05-31 2013-09-18 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザアニール装置及びレーザアニール方法
US8249460B2 (en) * 2007-06-22 2012-08-21 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for generating an RF signal
US8354674B2 (en) * 2007-06-29 2013-01-15 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device wherein a property of a first semiconductor layer is different from a property of a second semiconductor layer
JP5376707B2 (ja) 2008-01-24 2013-12-25 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザアニール装置
JP5467730B2 (ja) 2008-03-24 2014-04-09 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザ照射装置
US20110262102A1 (en) * 2010-04-13 2011-10-27 Lahr Nils B System and methods for optimizing buffering heuristics in media
CN102081236A (zh) * 2011-01-27 2011-06-01 清华大学 激光退火设备中的光学处理装置
US8993372B2 (en) * 2011-03-01 2015-03-31 Infineon Technologies Austria Ag Method for producing a semiconductor component
GB2493698B (en) * 2011-08-08 2018-02-28 Univ Nottingham Trent Surface plasmon resonance in thin films
CN106663391B (zh) 2013-12-02 2019-09-03 株式会社半导体能源研究所 显示装置及其制造方法
JP2014123754A (ja) * 2014-01-28 2014-07-03 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置の作製方法
CN105448681B (zh) * 2014-07-04 2018-11-09 上海微电子装备（集团）股份有限公司 激光退火装置
CN104392914B (zh) * 2014-12-03 2018-04-17 苏州德龙激光股份有限公司 双波长激光退火装置及其方法
KR101700392B1 (ko) * 2015-05-26 2017-02-14 삼성디스플레이 주식회사 레이저빔 어닐링 장치 및 이를 이용한 디스플레이 장치 제조방법
JP2017050302A (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 特定非営利活動法人ナノフォトニクス工学推進機構 間接遷移型半導体発光素子
KR101735674B1 (ko) 2015-09-25 2017-05-15 주식회사 루세로텍 레이저 빔 단면의 에너지 변형을 포함하는 빔 모니터 장치
KR102483322B1 (ko) 2015-09-30 2022-12-30 삼성디스플레이 주식회사 편광 모듈 및 이를 포함하는 레이저 조사 장치
JP2016076721A (ja) * 2015-12-01 2016-05-12 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザ照射装置
US10586817B2 (en) 2016-03-24 2020-03-10 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device, manufacturing method thereof, and separation apparatus
KR101866825B1 (ko) 2016-04-06 2018-07-16 주식회사 이솔 레이저 빔 에너지 프로파일 제어에 의한 촬상면 스케닝 방법
KR102340066B1 (ko) 2016-04-07 2021-12-15 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 박리 방법 및 플렉시블 디바이스의 제작 방법
US10003023B2 (en) 2016-04-15 2018-06-19 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Display device and electronic device
US10185190B2 (en) 2016-05-11 2019-01-22 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Display device, module, and electronic device
JP6706155B2 (ja) * 2016-06-15 2020-06-03 株式会社日本製鋼所 多結晶半導体膜の製造方法、レーザアニール装置、薄膜トランジスタ、およびディスプレイ
WO2018020333A1 (en) 2016-07-29 2018-02-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Separation method, display device, display module, and electronic device
TW201808628A (zh) 2016-08-09 2018-03-16 半導體能源研究所股份有限公司 半導體裝置的製造方法
TWI730017B (zh) 2016-08-09 2021-06-11 日商半導體能源研究所股份有限公司 顯示裝置的製造方法、顯示裝置、顯示模組及電子裝置
CN106910683B (zh) * 2017-02-09 2020-01-14 武汉华星光电技术有限公司 一种激光退火的控制方法及装置
JP6391764B2 (ja) * 2017-05-25 2018-09-19 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザ照射装置
KR102384289B1 (ko) * 2017-10-17 2022-04-08 삼성디스플레이 주식회사 레이저 결정화 장치
DE102018200036B3 (de) * 2018-01-03 2019-01-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optische Anordnung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung
EP3514821B1 (en) * 2018-01-18 2020-05-27 Laser Systems & Solutions of Europe Method of laser irradiation of a patterned semiconductor device
KR102154609B1 (ko) 2018-11-06 2020-09-10 주식회사 이솔 레이저빔을 이용하여 가공대상물을 베이킹(baking) 가공 하는 레이저 시스템 및 이를 이용한 가공 방법
DE102019112141A1 (de) * 2019-05-09 2020-11-12 Innovavent Gmbh Verfahren und optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials
JP7534892B2 (ja) * 2020-08-31 2024-08-15 Ｊｓｗアクティナシステム株式会社 レーザアニール装置、レーザアニール方法、及び半導体装置の製造方法
KR102243189B1 (ko) 2020-10-12 2021-04-21 김윤호 진공 빔 프로파일링 장치
CN116774454A (zh) 2022-03-18 2023-09-19 株式会社半导体能源研究所 光学设备以及电子设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002158184A (ja) * 2000-11-16 2002-05-31 Mitsubishi Electric Corp レーザ熱処理用のレーザ光学系
JP2003332236A (ja) * 2002-05-17 2003-11-21 Fujitsu Ltd 半導体結晶化方法及び装置
JP2003347210A (ja) 2002-05-30 2003-12-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2003347211A (ja) * 2002-05-30 2003-12-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2003347207A (ja) * 2002-05-30 2003-12-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0299455A3 (en) 1987-07-17 1991-03-27 Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. Method and apparatus for laser exposure in an image scanning/recording apparatus
US5212710A (en) 1990-07-19 1993-05-18 Sony Corporation Laser light beam synthesizing apparatus
JPH04134420A (ja) 1990-09-27 1992-05-08 Sharp Corp 液晶表示装置の駆動方法
DE4127840A1 (de) * 1991-08-22 1993-02-25 Thomson Brandt Gmbh Optische abtastvorrichtung
US5224200A (en) * 1991-11-27 1993-06-29 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy Coherence delay augmented laser beam homogenizer
EP0656241B1 (en) * 1993-06-04 1998-12-23 Seiko Epson Corporation Apparatus and method for laser machining
KR950034479A (ko) * 1994-05-24 1995-12-28 오노 시게오 조명광학계
JP3917231B2 (ja) * 1996-02-06 2007-05-23 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザー照射装置およびレーザー照射方法
US5970368A (en) * 1996-09-30 1999-10-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for manufacturing polycrystal semiconductor film
US5852693A (en) * 1996-11-26 1998-12-22 Ultratech Stepper, Inc. Low-loss light redirection apparatus
JP4059952B2 (ja) * 1997-03-27 2008-03-12 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザー光照射方法
US6246524B1 (en) * 1998-07-13 2001-06-12 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method of manufacturing semiconductor device
US6081381A (en) * 1998-10-26 2000-06-27 Polametrics, Inc. Apparatus and method for reducing spatial coherence and for improving uniformity of a light beam emitted from a coherent light source
JP3522654B2 (ja) 2000-06-09 2004-04-26 住友重機械工業株式会社 レーザ加工装置及び加工方法
US6347176B1 (en) * 2000-06-15 2002-02-12 Ultratech Stepper, Inc. Acousto-optical light tunnel apparatus and method
TW523791B (en) * 2000-09-01 2003-03-11 Semiconductor Energy Lab Method of processing beam, laser irradiation apparatus, and method of manufacturing semiconductor device
US6396616B1 (en) 2000-10-10 2002-05-28 3M Innovative Properties Company Direct laser imaging system
US6970644B2 (en) * 2000-12-21 2005-11-29 Mattson Technology, Inc. Heating configuration for use in thermal processing chambers
US7015422B2 (en) * 2000-12-21 2006-03-21 Mattson Technology, Inc. System and process for heating semiconductor wafers by optimizing absorption of electromagnetic energy
US6955956B2 (en) 2000-12-26 2005-10-18 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method of manufacturing a semiconductor device
MY127193A (en) 2000-12-26 2006-11-30 Semiconductor Energy Lab Laser irradiation apparatus and method of laser irradiation
JP4837170B2 (ja) * 2001-01-12 2011-12-14 株式会社Ｉｈｉ レーザアニール方法及び装置
US7009140B2 (en) * 2001-04-18 2006-03-07 Cymer, Inc. Laser thin film poly-silicon annealing optical system
KR100885904B1 (ko) * 2001-08-10 2009-02-26 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 레이저 어닐링장치 및 반도체장치의 제작방법
JP4875265B2 (ja) 2001-09-20 2012-02-15 文化シヤッター株式会社 エレベータ用防災装置
JP4397571B2 (ja) 2001-09-25 2010-01-13 株式会社半導体エネルギー研究所 レーザ照射方法およびレーザ照射装置、並びに半導体装置の作製方法
TW200304175A (en) * 2001-11-12 2003-09-16 Sony Corp Laser annealing device and thin-film transistor manufacturing method
US7109435B2 (en) * 2001-12-07 2006-09-19 Sony Corporation Beam irradiator and laser anneal device
US6977775B2 (en) 2002-05-17 2005-12-20 Sharp Kabushiki Kaisha Method and apparatus for crystallizing semiconductor with laser beams
US7405114B2 (en) * 2002-10-16 2008-07-29 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus and method of manufacturing semiconductor device
US7160762B2 (en) * 2002-11-08 2007-01-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and laser irradiation apparatus
JP4408668B2 (ja) * 2003-08-22 2010-02-03 三菱電機株式会社 薄膜半導体の製造方法および製造装置
JP4413569B2 (ja) * 2003-09-25 2010-02-10 株式会社 日立ディスプレイズ 表示パネルの製造方法及び表示パネル
WO2005124842A1 (en) * 2004-06-18 2005-12-29 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation method, laser irradiation apparatus, and method for manufacturing semiconductor device
US8304313B2 (en) * 2004-08-23 2012-11-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and its manufacturing method
JP2007110064A (ja) * 2005-09-14 2007-04-26 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd レーザアニール方法及び装置
JP5764566B2 (ja) * 2009-10-02 2015-08-19 イムラ アメリカ インコーポレイテッド モード同期レーザによる光信号処理

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002158184A (ja) * 2000-11-16 2002-05-31 Mitsubishi Electric Corp レーザ熱処理用のレーザ光学系
JP2003332236A (ja) * 2002-05-17 2003-11-21 Fujitsu Ltd 半導体結晶化方法及び装置
JP2003347210A (ja) 2002-05-30 2003-12-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2003347211A (ja) * 2002-05-30 2003-12-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2003347207A (ja) * 2002-05-30 2003-12-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Incident-Angle Dependency of Laser-induced Surface Ripples on Metals and Semiconductors", LASER STUDY, vol. 28, no. 12, December 2000 (2000-12-01), pages 824 - 828
IEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol. QE-22, no. 8, August 1986 (1986-08-01), pages 1384 - 1401
See also references of EP1926131A4

Also Published As

Publication number Publication date
US20140213071A1 (en) 2014-07-31
US20150348781A1 (en) 2015-12-03
US7833871B2 (en) 2010-11-16
TW200717661A (en) 2007-05-01
US20130005123A1 (en) 2013-01-03
KR20080033174A (ko) 2008-04-16
EP1926131A1 (en) 2008-05-28
US8629522B2 (en) 2014-01-14
US9058994B2 (en) 2015-06-16
JP2007110064A (ja) 2007-04-26
KR100967072B1 (ko) 2010-07-01
CN101208778A (zh) 2008-06-25
CN101208778B (zh) 2010-04-21
US8299553B2 (en) 2012-10-30
US20110114855A1 (en) 2011-05-19
EP1926131A4 (en) 2011-08-03
TWI342049B (en) 2011-05-11
US20100022102A1 (en) 2010-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2007032322A1 (ja) レーザアニール方法及び装置
TW469539B (en) Optical system for laser heat treatment, laser heat treating apparatus, and method for producing semiconductor devices by using the same
US20070178674A1 (en) Laser annealing device and method for producing thin-film transistor
JP2003068644A (ja) シリコン結晶化方法とレーザアニール装置
WO2007080693A1 (ja) レーザアニール方法およびレーザアニール装置
JP2011003666A (ja) 照射装置および半導体素子の製造方法
JP5467730B2 (ja) レーザ照射装置
JP2006253571A (ja) レーザ照射装置及び方法、並びにレーザアニール装置及び方法
US7811910B2 (en) Manufacturing method of display device
JP2002141302A (ja) レーザアニーリング用レーザ光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置
US7097709B2 (en) Laser annealing apparatus
KR101491043B1 (ko) 결정화방법 및 결정화장치
KR102776154B1 (ko) 반도체 재료를 처리하기 위한 방법 및 광학 시스템(mehtod and optical system for processing a semiconductor material)
JP4799825B2 (ja) レーザ照射方法
JP2009038060A (ja) 多結晶膜の製造方法及びレーザ加工装置
JP2002158184A (ja) レーザ熱処理用のレーザ光学系
JP2002141300A (ja) レーザアニーリング装置
JP2003347211A (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP5291895B2 (ja) レーザアニール装置及びレーザアニール方法
JP2006344844A (ja) レーザ処理装置
JP2008130713A (ja) レーザアニール方法及び装置
JP2008066356A (ja) レーザアニール方法および装置
JP6391764B2 (ja) レーザ照射装置
JP3201381B2 (ja) 半導体薄膜の製造方法
JP2014123754A (ja) 半導体装置の作製方法

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200680022992.1

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11916687

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020077029974

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006797813

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE