JP2004119971A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

　
【課題】　半導体材料として用いられる非晶質材料を確実に結晶化させるとともに、所望の広さの領域になるように結晶化させることができる。
【解決手段】　サンプル２１の表層に形成される非晶質材料からなる層の表面に画される第１領域内に対してレーザビームを照射して非晶質材料を溶融凝固させて結晶化し、第１領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層の表面に画される第２領域を定め、第２領域内に対してレーザビームを照射して第２領域内の非晶質材料を溶融し、その凝固時に第１領域内の結晶を種結晶としてエピタキシャル成長させて結晶化する。非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上におけるレーザビームが照射されるべき第１および第２領域の移動と、レーザビームの照射とを繰返し行う。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、たとえば半導体デバイスなどに半導体材料として用いられる非晶質材料をレーザビーム照射によって結晶化するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。

　半導体デバイスは、基板を兼ねて構成される単結晶シリコン（Ｓｉ）またはガラス基板上に成層されるＳｉ薄膜に形成される。このような半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリックス液晶表示装置などに備えられている。液晶表示装置（ＬＣＤ：
Liquid Crystal Display）に備えられる半導体デバイスは、透明な基板上にたとえば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）の規則的なアレイが形成されることによって構成され、各ＴＦＴは画素コントローラとして機能している。

　ＬＣＤには、消費電力が少なくて応答速度が速く、より明るい、より解像度の高いものが求められており、このようなＬＣＤの性能向上は、画素コントローラであるＴＦＴの性能向上、特にスイッチング特性の向上に依るところが大きい。ＴＦＴのスイッチング特性は、トランジスタ中におけるキャリアである電子の移動度を向上することによって改善される。トランジスタ中における電子移動度は、トランジスタの材料であるＳｉが非晶質であるよりも結晶化されている方が、高いことが知られている。このことから、汎用ＬＣＤに多用されているＴＦＴは非晶質Ｓｉ薄膜に形成されているけれども、この非晶質Ｓｉに代えて結晶化したＳｉが用いられようとしている。

　Ｓｉの多結晶構造体は、たとえばエキシマレーザから放射されるレーザビームを非晶質Ｓｉに照射して溶融し、凝固過程においてＳｉを結晶化させるなどの方法によって形成される。しかしながら、Ｓｉを単に溶融凝固させるだけでは、異なる大きさで異なる結晶方位を有する多数の小さな結晶粒が無秩序に形成されるに過ぎない。

　多数の小さな結晶粒が形成されると、結晶粒同志を画する結晶粒界が多数形成されるので、この結晶粒界が、電子をトラップして電子移動の障壁となり、結晶化されたことによる電子移動度の向上効果が充分に発現されない。また大きさと方位とが異なる小さな結晶内においては、電子移動度は結晶毎にそれぞれ異なるので、換言すれば異なる動作性能を備えるＴＦＴが多数形成されていることになり、ＴＦＴアレイにデバイス特性の不均一が生じる。したがって、さらなるＬＣＤの性能向上のためには、デバイス特性の均一化されたＴＦＴアレイが形成される必要があり、ＴＦＴの特性を均一化するためには、ＴＦＴを形成するＳｉの結晶化領域を広くするとともに、結晶化される結晶粒の大きさをできる限り大きくすることが必要とされる。

　このような問題に対応する先行技術の１つを、以下に説明する。図１１は、先行技術に用いられるレーザ加工装置１の構成を簡略化して示す系統図である。レーザ加工装置１は、パルス状のレーザビームを放射する光源であるエキシマレーザ２と、エキシマレーザ２から放射されるレーザビームを反射してその方向を変化させる複数のミラー３と、可変減衰器４と、可変焦点視野レンズ５と、可変焦点視野レンズ５を透過したレーザビームを予め定められたパターンに限定して通過させる投影マスク６と、投影マスク６を通過したレーザビームをサンプル８上に結像させる結像レンズ７と、サンプル８を載置しサンプル８を移動させることのできるステージ９とを含んで構成される。

　この先行技術では、図１１に示すレーザ加工装置１を用いて、以下のようにサンプル８の結晶化処理を行う。サンプル８である基板上の半導体材料の膜に横方向に延在する結晶領域を形成するに当り、（ａ）半導体材料中に熱を誘導するパルス状の放射を用い、前記膜の第１の部分を露光してその厚さにわたって第１の部分の半導体材料を溶融する工程と、（ｂ）前記第１の部分の半導体を凝固させ、前記第１の部分の境界部分に少なくとも１個の半導体結晶を形成し、この第１の部分を次の処理に対する以前の部分とする工程と、（ｃ）前記以前の部分からステップ移動方向にステップ移動すると共に少なくとも１個の半導体結晶と部分的に重なり合う半導体の別の部分を露光する工程と、（ｄ）前記別の部分の溶融した半導体材料を凝固させ、半導体結晶をステップ移動方向に成長させることにより半導体結晶を拡大させる工程と、（ｅ）前述の工程ｃと工程ｄとの組合せを繰返し、所望の結晶領域が形成されるまで、各工程の別の部分を次の工程に対して以前の部分とする方法である（特許文献１参照）。

特表２０００−５０５２４１号公報（第１５〜１６頁、第１図）

　前述した先行技術には、以下のような問題がある。半導体材料の１つの部分に対するパルス状の放射による露光が１回のみであるので、パルス状の放射が行われる光源の出力変動や装置の振動に起因する焦点ずれが発生し、半導体材料に充分な熱が誘導されないとき、結晶化されないことが生じたり、結晶化された場合であっても結晶粒が小さくなるという問題がある。

　また、結晶化される結晶粒を大きくするためには、パルス状の放射による露光領域を山形にしたり、結晶化させるべき領域を予めパターニングしておかなければならない。露光領域を山形にすると、結晶は山形の頂点から広がる範囲の大きさまでしか成長しないという問題があり、結晶化させるべき領域を予めパターニングすると、基板全体を結晶化することが困難になるという問題がある。

　本発明の目的は、半導体材料として用いられる非晶質材料を確実に結晶化させるとともに、所望の広さの領域になるように結晶化させることのできるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することである。

　本発明は、基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材料からなる層にレーザビームを照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、
　前記非晶質材料からなる層の表面に画される第１領域内に対してレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、
　溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
　前記非晶質材料からなる層の表面に画され、前記第１領域と予め定められる部分が重畳する第２領域に対してレーザビームを照射して第２領域内の非晶質材料を溶融し、
　溶融した第２領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
　レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第２領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層の表面に画される新たな第１領域を定め、
　前記非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上におけるレーザビームの照射と、レーザビームが照射されるべき領域の移動とを繰返し行うことを特徴とするレーザ加工方法である。

　また本発明は、前記第１および第２領域は、前記非晶質材料からなる層の表面に長方形の形状に画されることを特徴とする。

　また本発明は、前記第１および第２領域は、前記非晶質材料からなる層の表面に鋸歯状の形状に画されることを特徴とする。

　また本発明は、前記第１および第２領域は、前記非晶質材料からなる層の表面にアーチ状の形状に画されることを特徴とする。

　また本発明は、前記第１領域と前記第２領域とは、交差することを特徴とする。
　また本発明は、前記第１および／または第２領域内で溶融状態にある前記非晶質材料に対して、もう一つのレーザビームを照射することを特徴とする。

　また本発明は、基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材料からなる層にレーザビームを照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工装置において、
　レーザビームを放射する光源と、
　前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、前記非晶質材料からなる層の表面に第１領域を画することができるように、前記光源と前記非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第１投影マスクと、
　前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、前記非晶質材料からなる層の表面に第２領域を画することができるように、前記光源と前記非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第２投影マスクとを含むことを特徴とするレーザ加工装置である。

　また本発明は、前記レーザ光源は、前記第１領域内に照射されるべきレーザビームを放射する第１レーザ光源と、前記第２領域内に照射されるべきレーザビームを放射する第２レーザ光源とを含んで構成されることを特徴とする。

　また本発明は、前記第１および／または第２領域内で溶融状態にある前記非晶質材料に対して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源を含み、
　もう一つのレーザ光源が放射するレーザ光の波長が、前記レーザ光源が放射するレーザ光の波長よりも長いことを特徴とする。

　本発明によれば、第１領域内に対してレーザビームを照射して非晶質材料を溶融凝固させて結晶化した後、第１領域と予め定められる部分が重畳する第２領域に対してレーザビームを照射して非晶質材料を溶融凝固させて結晶化する。このように第２領域の非晶質材料は、レーザビームの照射によって溶融凝固するとき、第１領域に形成された結晶を種結晶として、第１領域に形成された結晶粒を引継いでエピタキシャルに結晶成長することができる。さらにレーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第２領域と部分的に重畳するように新たな第１領域を定め、第１領域と第２領域とに対するレーザビームの照射と、照射領域の移動とによる結晶化処理を順次繰返すことによって、パターニング等による制約を受けることなく、非晶質材料からなる層に所望の大きさの結晶化領域を生成することが可能になるとともに、以前に結晶化された部位を種結晶として順次結晶成長させることができるので、大きな結晶粒を生成することが可能になる。

　また本発明によれば、第１および第２領域は、非晶質材料からなる層の表面に長方形の形状に画されるので、非晶質材料が溶融凝固する際、第１および第２領域の短手方向には、長手方向よりも大きな温度勾配が形成される。このことによって、温度勾配が大きな短手方向に優先的に結晶化および結晶成長が起こるので、領域がたとえば正方形に画されて４方からほぼ均一に結晶化される場合に比べて、大きな結晶粒を生成させることができる。

　また本発明によれば、第１および第２領域は、前記非晶質材料からなる層の表面に鋸歯状またはアーチ状の形状に画される。第１および第２領域の鋸歯の突出方向およびアーチ状の湾曲方向を結晶の優先成長方向に合わせることによって、非晶質材料が溶融した後凝固する際の結晶成長を促進することができるので、第１領域において結晶化された結晶を種結晶とし、第２領域において結晶化処理するとき、一層確実に結晶成長させることが可能になる。

　また本発明によれば、第１領域と第２領域とは交差するので、交差による重畳領域であって結晶化された領域の周縁部に沿って、順次結晶化領域を拡大することができる。このようにして結晶化領域を拡大するとき、レーザビームが照射されて結晶化されるべき領域の移動を効率よく実施することができるので、結晶化処理された半導体材料の生産効率を高めることができる。

　また本発明によれば、溶融状態にある非晶質材料に対して、もう一つのレーザビームを照射するので、溶融状態の非晶質材料の冷却速度を遅くすることができる。このことによって、非晶質材料の結晶化に際し、より大きな結晶粒に成長させることができる。

　また本発明によれば、レーザビーム加工装置には、レーザビームを放射する光源と、非晶質材料からなる層の表面に第１領域を画するための第１投影マスクと、第２領域を画するための第２投影マスクとが設けられる。このことによって、第１領域にレーザビームを照射して結晶化し、次いで第２領域にレーザビームを照射して第１領域に生成された結晶を種結晶として結晶成長させるという結晶化処理および結晶成長を円滑に行うことが可能になる。

　また本発明によれば、第１レーザ光源と第２レーザ光源との２つの光源を備えるので、第１領域と第２領域とにレーザビームを照射する時間間隔を自在に設定することができる。このことによって、第１領域において結晶化された結晶を種結晶とし、種結晶から結晶成長させるのに最適なタイミングで第２領域にレーザビームを照射することが可能になるので、大きな結晶粒を生成することができる。また前述のように第１領域に対するレーザビームの照射後、第２領域に対するレーザビーム照射の最適なタイミングを設定することができるので、種結晶から結晶成長させるために第１領域に対して第２領域を重畳させるべき好適な領域の許容範囲が緩和される。

　また本発明によれば、第１および／または第２領域内で溶融状態にある非晶質材料に対して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源が備えられ、もう一つのレーザ光源が放射するレーザ光の波長が、前記レーザ光源が放射するレーザ光の波長よりも長いように構成される。波長の短いレーザ光は、固体状態の非晶質材料に吸収されやすく、波長の長いレーザ光は、溶融状態の非晶質材料に吸収されやすい。したがって、もう一つのレーザ光源から放射される波長の長いレーザ光を、溶融状態にある非晶質材料に対して照射することによって、レーザ光のエネルギが、効率的に溶融状態の非晶質材料に吸収される。このようにして、溶融状態にある非晶質材料の冷却速度を遅くすることができるので、一層大きな結晶粒に成長させることのできるレーザ加工装置が実現される。

　図１は本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置１０の構成を簡略化して示す系統図であり、図２は図１に示すレーザ加工装置１０に備わる第１および第２投影マスク１７，１８の形状を示す平面図である。レーザ加工装置１０は、レーザビームを放射する第１および第２レーザ光源１１，１２と、第１および第２レーザ光源１１，１２から放射されるレーザビームの光路上にそれぞれ設けられる第１および第２可変減衰器１３，１４ならびに第１および第２可変焦点視野レンズ１５，１６と、第１および第２可変焦点視野レンズ１５，１６を透過したレーザビームをそれぞれ通過させる第１および第２投影マスク１７，１８と、結像レンズ１９と、レーザビームを反射して光路を変化させるように設けられる複数のミラー２０と、レーザビームが照射されて結晶化されるサンプル２１と、サンプル２１が載置されるステージ２２と、第１および第２レーザ光源１１，１２の出力制御およびステージ２２の駆動制御を行う制御手段２３とを含む。

　第１および第２レーザ光源１１，１２には、ガスレーザである波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられる。このようなエキシマレーザは、たとえばLambda
Physic社製Compex３０１によって実現される。第１および第２可変減衰器１３，１４は、レーザビームの透過率を可変に設定することが可能なフィルタとしての機能を有し、第１および第２レーザ光源１１，１２から放射されるレーザビームの放射照度を調整することができる。

　第１および第２可変焦点視野レンズ１５，１６は、レーザビームを集光し焦点調整するレンズである。第１および第２投影マスク１７，１８は、たとえば合成石英にクロム薄膜をパターニングしたものである。本実施の形態では第１および第２投影マスク１７，１８には、長方形の第１および第２開口部２５，２６がそれぞれ形成される。

　第１および第２投影マスク１７，１８は、第１および第２レーザ光源１１，１２から放射されるレーザビームの光路上に設けられ、第１および第２可変焦点視野レンズ１５，１６を透過したレーザビームをそれぞれ通過させることによって、サンプル２１の表面に後述する第１および第２領域を画する。

　結像レンズ１９は、レーザビームによる第１および第２開口部２５，２６の像をサンプル２１の表面に結像させる。ステージ２２は、駆動手段を備え、載置されるサンプル２１を２次元平面内においてＸ−Ｙ軸方向への水平移動および回転移動させることができる。

　図３は、サンプル２１の構成を簡略化して示す断面図である。サンプル２１は、透明基板２７の一方の表面にＳｉＯ_２膜２８が積層され、さらにＳｉＯ_２膜２８の表面にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜２９が積層される。ここでａ−Ｓｉ膜２９が非晶質材料からなる層である。本実施の形態では、ＳｉＯ_２膜２８の厚みは１００ｎｍ、ａ−Ｓｉ膜２９の厚みは５０ｎｍである。ＳｉＯ_２膜２８およびａ−Ｓｉ膜２９は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着またはスパッタリングなどによって、前述の厚みに積層される。

　制御手段２３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えるマイクロコンピュータなどによって実現される処理回路である。制御手段２３には、第１および第２レーザ光源１１，１２ならびにステージ２２が電気的に接続され、制御手段２３によって、第１および第２レーザ光源１１，１２から放射されるレーザビームの発振パルス時間および周期が制御されるとともに、ステージ２２の駆動制御すなわちステージ２２上に載置されるサンプル２１の位置制御が行われる。

　レーザビームの発振パルス時間および周期の制御は、たとえばサンプル２１の結晶化処理条件毎に予め定められる発振パルス時間および周期をテーブル化し、そのテーブルがストアされたたとえばＲＡＭ（Random Access Memory）を制御手段２３に設け、ＲＡＭから読出される前記テーブル情報に基づく制御信号を第１および第２レーザ光源１１，１２に与えることによって実現される。またステージ２２の駆動制御は、予め制御手段２３に与えられる情報に基づくＮＣ（Numerical Control）制御によってもよく、またサンプル２１の位置を検出する位置センサを設け、位置センサからの検出出力に応答する制御によってもよい。

　制御手段２３からの制御信号に従って第１レーザ光源１１から放射されるレーザビームは、第１可変減衰器１３を通過して放射照度が調整され、第１可変焦点視野レンズ１５を透過し、第１投影マスク１７の第１開口部２５を通過し、結像レンズ１９によってサンプル２１のａ−Ｓｉ膜２９上に照射される。この第１レーザ光源１１から放射され、サンプル２１のａ−Ｓｉ膜２９上に達するレーザビームは、前述のように第１投影マスク１７の第１開口部２５を通過することによって、ａ−Ｓｉ膜２９上に長方形に画される第１領域内のみを照射する。

　前述と同様にして第２レーザ光源１２から放射されるレーザビームは、第２可変減衰器１４を通過し、第２可変焦点視野レンズ１６を透過し、第２投影マスク１８の第２開口部２６を通過し、結像レンズ１９によってサンプル２１のａ−Ｓｉ膜２９上に照射される。この第２レーザ光源１２から放射され、サンプル２１のａ−Ｓｉ膜２９上に達するレーザビームは、前述のように第２投影マスク１８の第２開口部２６を通過することによって、ａ−Ｓｉ膜２９上に長方形に画される第２領域内のみを照射する。

　再び図２に戻り、ａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１および第２領域３１，３２について説明する。図２に示す第１および第２投影マスク１７，１８の第１および第２開口部２５，２６は、その短手方向の長さが２Ｗになるように形成される。

　図２に示すままの倍率で第１および第２開口部２５，２６が、ａ−Ｓｉ膜２９上に結像される状態で、第１開口部２５によってａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域３１に対して、第２開口部２６によってａ−Ｓｉ膜２９上に画される第２領域３２は、第１領域３１の短手方向に距離Ｗをずれた配置になるように設定される。すなわち第１および第２投影マスク１７，１８は、ａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域３１と第２領域３２とが前述のような配置になるように、第１および第２レーザ光源１１，１２から放射されるレーザビームの光路上にそれぞれ設けられる。前述の距離Ｗを、以後オフセット量と呼ぶことがある。

　なお結像レンズ１９によってａ−Ｓｉ膜２９上に結ばれる第１および第２開口部２５，２６の像の原寸法に対する縮小倍率がｎで表されるとき、第１および第２領域３１，３２の短手方向の長さは２Ｗ×ｎ、第１領域３１に対する第２領域３２のオフセット量はＷ×ｎで与えられる。

　以下に非晶質材料であるａ−Ｓｉ膜２９にレーザビームを照射して結晶化するレーザ加工方法について説明する。図４は、ａ−Ｓｉ膜２９上におけるレーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図である。

　図４（ａ）には、ａ−Ｓｉ膜２９の表面に画される第１領域３１内に、第１レーザ光源１１から放射されるレーザビームを照射し、レーザビームの照射によって第１領域３１内のａ−Ｓｉを溶融している状態を示す。本実施の形態では、第１領域３１は長方形の形状に画されるので、ａ−Ｓｉが溶融凝固する際、短手方向に形成される温度勾配は長手方向に形成される温度勾配よりも大きくなる。したがって、ａ−Ｓｉは、温度勾配が大きな短手方向に結晶化および結晶成長する。

　図４（ｂ）には、第１領域３１内において結晶化されたａ−Ｓｉに対して、レーザビームの照射領域を第１領域３１の短手方向にオフセット量Ｗだけずれた位置に定められる第２領域３２内にレーザビームを照射し、第２領域３２内のａ−Ｓｉを溶融している状態を示す。第２領域３２内において溶融されたａ−Ｓｉが凝固して結晶化するに際しては、先の第１領域３１と重畳する短手方向Ｗの部分については再度溶融されるけれども、先の第１領域３１内の残りのオフセットＷの部分において結晶化された結晶が種結晶として残るので、この種結晶から第２領域３２内へエピタキシャルに結晶化が進行する。

　次に、第１投影マスクによってａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域３１ａが、先の第２領域３２からさらにオフセット量Ｗだけ短手方向にずれた位置になるように、制御手段２３によってステージ２２を移動、すなわちサンプル２１を移動する。図４（ｃ）は、サンプル２１を移動させることによって新たにａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域３１ａ内にレーザビームを照射し、第１領域３１ａ内のａ−Ｓｉを溶融している状態を示す。先の第２領域３２におけるのと同様に、新たな第１領域３１ａでは、先の第２領域３２内において結晶化された結晶が種結晶となり、この種結晶からエピタキシャルに結晶化が進行する。

　このように、ａ−Ｓｉ膜２９上に画される領域内に対するレーザビームの照射と、レーザビームが照射されるべき領域の移動すなわちサンプル２１の移動とを繰返し行うことによって、パターニング等に依ることなく、ａ−Ｓｉ膜２９に所望の大きさの結晶領域を作成することが可能になる。

　なお、各領域内においてａ−Ｓｉを溶融後凝固させて結晶化するステップにおいては、領域内全体の凝固および結晶化が完了することを意味しない。すなわち、エキシマレーザである第１および第２レーザ光源１１，１２は、極めて短い周期でレーザビームを放射することができる特性を利用し、領域内において凝固が進行中、すなわち領域内の一部が結晶化された段階において、次の領域に対するレーザビーム照射が実行されてもよい。

　このように、第１領域３１と第２領域３２とに対するレーザビーム照射の時間間隔を、ほぼ同時とも言える短い間に実行するときには、オフセット量を前記Ｗよりも大きいＷ＋δＷ［（Ｗ＋δＷ）＞Ｗ］に設定し、単位時間あたりに生成することのできる結晶化領域を大きくし、すなわち処理量を増してスループットを上げることができる。また前記オフセット量Ｗは、種結晶を利用した結晶成長をさせなければならないので、その設定精度はミクロンオーダーであるけれども、レーザビーム照射の時間間隔を短くすることによって、設定精度が緩和される。

　本実施の形態では、前述のように第１および第２領域３１，３２は、第１および第２投影マスク１７，１８に形成される第１および第２開口部２５，２６によって長方形に画されるけれども、これに限定されるものではない。図５は、もう一つの投影マスク３３の形状を示す平面図である。図５に示されるように、もう一つの投影マスク３３に形成されるもう一つの開口部３４は、鋸歯状である。このように投影マスク３３によってａ−Ｓｉ膜２９上に画される領域は、鋸歯状であってもよい。鋸歯の突出方向を、ａ−Ｓｉが結晶化する際の優先成長方向に合わせることによって、結晶成長を促進することができるので、先の領域において結晶化された結晶を種結晶とし、次の領域において結晶化処理するとき、一層確実に結晶成長させることが可能になる。

　図６は、本発明の実施の第２の形態であるレーザ加工装置に設けられる第３および第４投影マスク３５，３６の形状を示す平面図である。本実施の形態のレーザ加工装置は、実施の第１形態のレーザ加工装置１０に設けられる第１および第２投影マスク１７，１８に代えて第３および第４投影マスク３５，３６が用いられることを除いて同一に構成されるので図および説明を省略する。

　注目すべきは、第３および第４投影マスク３５，３６にそれぞれ形成される長方形の第３および第４開口部３７，３８によって、ａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域と第２領域とが交差するように、第３および第４投影マスク３５，３６が、第１および第２レーザ光源１１，１２から放射されるレーザビームの光路上にそれぞれ設けられることである。本実施の形態では、ａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域と第２領域とが直交するように、第３および第４投影マスク３５，３６が設けられる。

　図７は、第１領域３１と第２領域３２とが交差している場合のａ−Ｓｉ膜２９上におけるレーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図である。

　図７（ａ１）には、ａ−Ｓｉ膜２９上におけるレーザビームの照射領域である第１領域３１を示し、図７（ａ２）には、第１領域３１にレーザビームを照射してａ−Ｓｉを溶融し、さらに凝固させて結晶化した状態を示す。このとき第１領域３１は長方形であるので、結晶粒は第１領域３１の短手方向に成長する。

　図７（ｂ１）には、第１領域３１に対して第２領域３２が交差する状態を示す。すなわち第２領域３２は、第１領域３１に対して図７の紙面に垂直な軸線まわり方向に９０度角変位移動した位置に交差部を重畳部とするように定められる。図７（ｂ２）には、第２領域３２にレーザビームを照射することによって、第１領域３１と第２領域３２との交差により形成される重畳部に、第１領域３１において結晶化した結晶を種結晶として成長した大きな結晶粒３９が形成されることを示す。

　図７（ｃ１）には、ステージ２２の移動によってサンプル２１を、第１領域３１および第２領域３２のいずれに対しても４５度の方向に√（２）・Ｗだけ移動させた位置に画される新たな第１領域３１ａを示し、図７（ｃ２）には、新たな第１領域３１ａにレーザビームを照射することによって、前記重畳部に形成された大きな結晶粒３９を種結晶として新たな第１領域３１ａ内へ結晶成長し、さらに大きな結晶粒４０が形成されることを示す。

　図７（ｄ１）には、前述のサンプル２１の移動によってａ−Ｓｉ膜２９上に新たに画される第２領域３２ａが、新たな第１領域３１ａに対して交差する状態を示す。図７（ｄ２）には、新たな第２領域３２ａにレーザビームを照射することによって、前記大きな結晶粒４０を種結晶として新たな第２領域３２ａ内へ結晶成長し、一層大きな結晶粒４１となることを示す。

　図７（ｅ１）には、前述の図７（ａ１）〜図７（ｄ１）の説明に示す動作を繰返して、第１領域３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅと、第２領域３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅとをそれぞれ順次交差させて形成されるレーザビームの照射領域を示す。図７（ｅ２）には、図７（ｅ１）に示すようなレーザビームの照射領域の形成によって、ａ−Ｓｉ膜２９に大きな結晶化領域４２が形成され得ることを示す。

　このように第１領域３１と第２領域３２とを交差させることによって、交差による重畳領域であって結晶化される領域の周縁部に沿って、順次結晶化領域を拡大することができる。このようにして結晶化領域を拡大するとき、レーザビームが照射されて結晶化されるべき領域の移動、すなわち結晶化されるべきサンプル２１の移動を、ステージ２２を順次一方向に移動するという効率的な方法で実現できるので、ａ−Ｓｉの結晶化処理の生産効率を高めることができる。

　ａ−Ｓｉ膜２９上に形成される第１領域３１と第２領域３２とを交差させるように設けられる投影マスクに形成される開口部の形状は、前述のような長方形に限定されるものではない。図８は、開口部４３，４４がアーチ状に形成される第５および第６投影マスク４５，４６の形状を示す図である。図８に示すような第５および第６投影マスク４５，４６によって、ａ−Ｓｉ膜２９上に交差して画される第１および第２領域の形状は、アーチ形であってもよい。

　第１および第２領域のアーチ状の湾曲方向のいずれかを結晶の優先成長方向に合わせることによって、ａ−Ｓｉが溶融した後凝固する際の結晶成長を促進することができるので、第１領域と第２領域との交差部において結晶化された結晶を種結晶とし、種結晶の周縁部に結晶成長させるとき、一層確実に結晶成長させることが可能になる。

　図９は、本発明の実施の第３の形態であるレーザ加工装置５０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態のレーザ加工装置５０は、実施の第１形態のレーザ加工装置１０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

　レーザ加工装置５０において注目すべきは、レーザビームを放射する光源が１つであり、また光源から放射されるレーザビームの放射照度を調整する可変減衰器も１つのみが備わることである。前述の光源を２つ備える実施の第１形態のレーザ加工装置１０では、制御手段２３によって第１レーザ光源１１と第２レーザ光源１２とのレーザビームを放射するタイミングを制御し、このタイミング制御によって第１領域３１と第２領域３２とにレーザビームを照射する時間間隔を制御するけれども、光源を１つしか備えない本実施の形態のレーザ加工装置５０では、第１レーザ光源１１からサンプル２１に達するレーザビームに光路差ｄを形成し、この光路差ｄによって第１領域３１と第２領域３２とにレーザビームを照射する時間間隔を制御する。

　図９に示すように、第１投影マスク１７によってサンプル２１のａ−Ｓｉ膜２９上に画される第１領域３１に照射されるレーザビームの光路長さに比べて、第２投影マスク１８によってａ−Ｓｉ膜２９上に画される第２領域３２に照射されるレーザビームの光路長さは、前述の光路差ｄだけ長い。したがって、第２領域３２では、第１領域３１に比べて光路差ｄをレーザの速度で除した時間だけ遅延してレーザビームが到達することになるので、光源が１つであっても第１領域３１と第２領域３２とに、レーザビームを照射する時間間隔を制御することができる。

　図１０は、本発明の実施の第４の形態であるレーザ加工装置６０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態のレーザ加工装置６０は、実施の第３形態のレーザ加工装置５０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

　レーザ加工装置６０において注目すべきは、第１および／または第２領域３１，３２内で溶融状態にあるａ−Ｓｉに対して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源６１を含み、もう一つのレーザ光源６１の放射するレーザ光の波長が、レーザ光源１１の放射するレーザ光の波長よりも長いことである。

　本実施の形態では、レーザ光源１１には、紫外域の波長３０８ｎｍを有するレーザ光を放射することのできるエキシマレーザが用いられ、もう一つのレーザ光源６１には、レーザ光源１１が放射するレーザ光の波長よりも長く、可視域から赤外域の波長を有するレーザ光を放射することのできるもの、たとえば波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザなどが用いられる。

　レーザ光源１１から放射される比較的波長の短いレーザ光は、もう一つのレーザ光源６１から放射される波長の長いレーザ光に比較して、溶融状態よりも固体状態にあるａ−Ｓｉ膜２９への吸収率が高い特徴を有する。逆に、もう一つのレーザ光源６１から放射される比較的波長の長いレーザ光は、レーザ光源１１から放射される波長の短いレーザ光に比較して、固体状態よりも溶融状態にあるａ−Ｓｉ膜２９への吸収率が高い特徴を有する。

　レーザ光源１１から放射されるレーザビームは、１回の照射あたり、固体状態にあるａ−Ｓｉ膜２９を溶融させるに足るエネルギ量（＝エネルギ量／照射面積）を有するように、またもう一つのレーザ光源６１から放射されるレーザビームは、１回の照射あたり、固体状態にあるａ−Ｓｉ膜２９を溶融させるに足るエネルギ量（＝エネルギ量／照射面積）以下に設定されることが望ましい。

　レーザ加工装置６０においては、レーザ光源１１から放射されるレーザビームは、ａ−Ｓｉ膜２９を有するサンプル２１に対して垂直に入射され、所定のパターンを形成した第１または第２投影マスク１７，１８の像をａ−Ｓｉ膜２９上に、レーザビームの照射領域として縮小投影するように照射される。

　一方、もう一つのレーザ光源６１から放射されるレーザビームは、サンプル２１に対して斜めに入射され、可変焦点視野レンズおよび投影マスクのいずれも通過することなく、直接サンプル２１に照射される。もう一つのレーザ光源６１から放射されるレーザビームの照射領域は、第１および第２領域３１，３２を包含し、さらに第１および第２領域３１，３２よりも広い面積を有するように設定されることが好ましい。

　もう一つのレーザ光源６１から放射される波長の長いレーザビームを、溶融状態にあるａ−Ｓｉを含む第１および／または第２領域３１，３２に照射することによって、レーザ光のエネルギが、効率的に溶融状態のａ−Ｓｉに吸収される。このようにもう一つのレーザ光源６１から放射されるレーザビームで溶融状態にあるａ−Ｓｉを加熱し、その冷却速度を遅くすることができるので、一層大きな結晶粒に成長させることができる。

　以上に述べたように、本実施の形態では、レーザ光源１１，１２は、エキシマレーザであるけれども、これに限定されることなく、他のガスレーザが用いられてもよく、また固体レーザが用いられてもよい。また非晶質材料は、ａ−Ｓｉであるけれども、これに限定されることなく、非晶質のゲルマニウムやセレンなどであってもよい。

本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置１０の構成を簡略化して示す系統図である。 図１に示すレーザ加工装置１０に備わる第１および第２投影マスク１７，１８の形状を示す平面図である。 サンプル２１の構成を簡略化して示す断面図である ａ−Ｓｉ膜２９上におけるレーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図である。 もう一つの投影マスク３３の形状を示す平面図である。 本発明の実施の第２の形態であるレーザ加工装置に設けられる第３および第４投影マスク３５，３６の形状を示す平面図である。 第１領域３１と第２領域３２とが交差している場合のａ−Ｓｉ膜２９上におけるレーザビーム照射による結晶化処理の概要を示す図である。 開口部４３，４４がアーチ状に形成される第５および第６投影マスク４５，４６の形状を示す図である。 本発明の実施の第３の形態であるレーザ加工装置５０の構成を簡略化して示す系統図である。 本発明の実施の第４の形態であるレーザ加工装置６０の構成を簡略化して示す系統図である。 先行技術に用いられるレーザ加工装置１の構成を簡略化して示す系統図である。

符号の説明

　１０，５０，６０　レーザ加工装置　
　１１　第１レーザ光源　
　１２　第２レーザ光源
　１３　第１可変減衰器
　１４　第２可変減衰器
　１５　第１可変焦点視野レンズ
　１６　第２可変焦点視野レンズ
　１７，１８，３３，３５，３６，４５，４６　投影マスク
　１９　結像レンズ
　２０　ミラー
　２１　サンプル
　２２　ステージ
　２３　制御手段
　２７　透明基板
　２８　ＳｉＯ_２膜
　２９　ａ−Ｓｉ膜
　３１　第１領域
　３２　第２領域
　６１　もう一つのレーザ光源

Claims (9)

1. 　基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材料からなる層にレーザビームを照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工方法であって、
   　前記非晶質材料からなる層の表面に画される第１領域内に対してレーザビームを照射して第１領域内の非晶質材料を溶融し、
   　溶融した第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
   　前記非晶質材料からなる層の表面に画され、前記第１領域と予め定められる部分が重畳する第２領域に対してレーザビームを照射して第２領域内の非晶質材料を溶融し、
   　溶融した第２領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化し、
   　レーザビームが照射されるべき領域を予め定められる方向に予め定められる距離移動し、直前の第２領域と部分的に重畳するように非晶質材料からなる層の表面に画される新たな第１領域を定め、
   　前記非晶質材料の結晶化される領域が所望の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面上におけるレーザビームの照射と、レーザビームが照射されるべき領域の移動とを繰返し行うことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 　前記第１および第２領域は、
   　前記非晶質材料からなる層の表面に長方形の形状に画されることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 　前記第１および第２領域は、
   　前記非晶質材料からなる層の表面に鋸歯状の形状に画されることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
4. 　前記第１および第２領域は、
   　前記非晶質材料からなる層の表面にアーチ状の形状に画されることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
5. 　前記第１領域と前記第２領域とは、
   　交差することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 　前記第１および／または第２領域内で溶融状態にある前記非晶質材料に対して、もう一つのレーザビームを照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
7. 　基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材料からなる層にレーザビームを照射することによって、前記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工装置において、
   　レーザビームを放射するレーザ光源と、
   　前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、前記非晶質材料からなる層の表面に第１領域を画することができるように、前記光源と前記非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第１投影マスクと、
   　前記光源から放射されるレーザビームを通過させることによって、前記非晶質材料からなる層の表面に第２領域を画することができるように、前記光源と前記非晶質材料からなる層との間に形成されるレーザビームの光路上に設けられる第２投影マスクとを含むことを特徴とするレーザ加工装置。
8. 　前記レーザ光源は、
   　前記第１領域内に照射されるべきレーザビームを放射する第１レーザ光源と、
   　前記第２領域内に照射されるべきレーザビームを放射する第２レーザ光源とを含んで構成されることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
9. 　前記第１および／または第２領域内で溶融状態にある前記非晶質材料に対して照射されるべきレーザビームを放射するもう一つのレーザ光源を含み、
   　もう一つのレーザ光源が放射するレーザ光の波長が、前記レーザ光源が放射するレーザ光の波長よりも長いことを特徴とする請求項７または８記載のレーザ加工装置。

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