JP3352995B2 - 結晶成長評価方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、半導体材料等の
対象物にレーザビームを照射した際の、対象物中におけ
る結晶の成長状態を評価するための結晶成長評価方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アモルファスシリコンの薄膜にエキシマ
レーザを照射して多結晶シリコンを生成させる過程を数
値的に解析する方法が、「１９９９年７月１４日、日本
塑性加工学会、シミュレーション統合システム分科会、
資料集、第２２号、PP27-32」で発表されている。この
解析方法では、シリコンの薄膜について熱伝導方程式を
解いて、核生成率、結晶成長速度、結晶変態率、結晶形
状及び結晶寸法を決定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記方法で得られる解
析結果は、レーザアニーリングによる多結晶シリコンの
生成過程をある程度反映したものとなっているが、必ず
しも現実の成膜を精密に再現したものとなっていない。
このため、多結晶シリコンのレーザアニーリングの条件
設定に利用するための有用なツールとなるまでには至っ
ていない。

【０００４】そこで、本発明は、半導体材料等の対象物
をレーザアニーリングして結晶を成長させる際の条件設
定を容易にすることができ、所望の結晶状態の材料を製
造するために役立つ結晶成長評価方法及び装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の結晶成長評価方法は、対象物へのレーザビ
ームの多重照射に関する基本パラメータを入力する第１
工程と、基本パラメータのうち所定パラメータについて
ゆらぎ成分を設定する第２工程と、基本パラメータ及び
ゆらぎ成分に基づいて対象物に関する熱伝導方程式を解
いて、対象物中における結晶の成長を統計的に計算する
第３工程とを備える。

【０００６】上記結晶成長評価方法では、基本パラメー
タのみならず、ゆらぎ成分に基づいて対象物に関する熱
伝導方程式を解いて、対象物中における結晶の成長を統
計的に計算するので、対象物中における多結晶の生成過
程をより精密に反映した結晶成長の評価が可能になる。
よって、この結晶成長評価方法をレーザアニーリングに
よって実際に結晶成長させる際の条件設定に利用すれ
ば、斯かるレーザアニーリングの条件設定を容易にする
ことができ、所望の結晶状態の材料を短期間で迅速に開
発することができる。つまり、ポリシリコン膜等を形成
する際のプロセス設計を時間的・コスト的に効率化する
ことができ、ポリシリコン膜等の形成の高品質化や最適
化を図ることができる。さらに、レーザアニーリング装
置の設計の時間的、コスト的効率化やレーザアニーリン
グ装置の高性能化を図ることができる。

【０００７】上記結晶成長評価方法の好ましい態様によ
れば、基本パラメータが、レーザビームの中心位置、分
布、及びエネルギ密度、並びにレーザビームを多重照射
する際の重複率を含み、所定パラメータが、中心位置、
及びエネルギ密度を含む。この場合、基本パラメータや
所定パラメータの選択が対象物中における多結晶の生成
過程を精密に反映するものとなっているので、結晶成長
の評価が精密なものとなる。なお、レーザビームの分布
とは、空間的なビームプロファイルにおけるビーム形
状、ビーム幅を意味し、時間的なパルスプロファイルに
おけるパルス形状、パルス幅を意味する。

【０００８】上記結晶成長評価方法の好ましい態様によ
れば、レーザビームが、所定遅延時間をおいて対象物に
逐次照射される一対のパルスレーザであり、基本パラメ
ータ及び所定パラメータが、所定遅延時間を含む。この
場合、ダブルパルス或いは３重パルス以上のレーザビー
ムを用いたレーザアニールにおいて、レーザアニーリン
グの条件設定を容易にすることができ、所望の結晶状態
の材料を短期間で迅速に開発することができる。

【０００９】上記結晶成長評価方法の好ましい態様によ
れば、第３工程で、熱伝導方程式を解いて、核生成率、
結晶成長速度、結晶変態率、結晶形状及び結晶寸法を順
次決定する。この場合、結晶の成長過程を現実的に反映
した結晶成長評価方法とすることができる。

【００１０】また、本発明の結晶成長評価装置は、対象
物へのレーザビームの照射に関する基本パラメータを記
憶する基本パラメータ記憶手段と、基本パラメータのう
ち所定パラメータについてゆらぎ成分を設定するゆらぎ
成分設定手段と、基本パラメータ及びゆらぎ成分に基づ
いて対象物に関する熱伝導方程式を解いて、対象物中に
おける結晶の成長を統計的に計算する結晶成長演算手段
とを備える。

【００１１】上記結晶成長評価装置では、結晶成長演算
手段が、基本パラメータのみならず、ゆらぎ成分に基づ
いて対象物に関する熱伝導方程式を解いて、対象物中に
おける結晶の成長を統計的に計算するので、対象物中に
おける多結晶の生成過程をより精密に反映した結晶成長
の評価が可能になる。よって、この結晶成長評価装置を
レーザアニーリングによって実際に結晶成長させる際の
条件設定に利用すれば、斯かるレーザアニーリングの条
件設定を容易にすることができ、所望の結晶状態の材料
を短期間で迅速に開発することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］図１は、第１実
施形態の結晶成長評価装置の構造を説明する図である。
この結晶成長評価装置は、レーザアニールによる結晶成
長の評価を行うためのものであり、装置全体をプログラ
ムに従って制御する主制御装置２と、この主制御装置２
に接続されて必要なデータを記憶する記憶装置３と、主
制御装置２に接続されて外部からの指示やデータを入力
するための入力装置４と、主制御装置２に接続されて処
理結果を表示するための表示出力装置５とを備える。こ
の結晶成長評価装置は、演算処理を主に行うコンピュー
タ本体とこれに接続される周辺装置とからなるコンピュ
ータシステムによって実現され、外観的には、図示のよ
うに個別のコンポーネントを通信ケーブルで接続したも
のすることもできるが、一体形の装置とすることもでき
る。

【００１３】なお、主制御装置２と記憶装置３と入力装
置４とを組み合わせたものは、基本パラメータ記憶手段
及びゆらぎ成分設定手段をともに構成する。また、主制
御装置２は、それ自体で結晶成長演算手段を構成する。

【００１４】ここで、主制御装置２は、ＣＰＵや内部メ
モリを備え、オペレーティングシステム等の制御プログ
ラムのほか、結晶成長評価方法の手順を規定したプログ
ラムが組み込まれている。記憶装置３は、ハードディス
ク等の電気的若しくは光学的な記録媒体であり、結晶成
長評価方法のプログラムの実行に必要なデータや、結晶
成長評価プログラムの実行によって得た評価結果のデー
タ等を保管する。なお、入力装置４は、キーボード等か
らなり、表示出力装置５は、ディスプレイやプリンタ等
からなる。なお、表示出力装置５としてのディスプレイ
は、オペレータ専用に設けたものだけに限らず、プレゼ
ンテーションのために評価結果のデータ等を大型のスク
リーンに投影することができるプロジェクタ等を含むも
のとすることができる。

【００１５】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、レーザアニ
ールによる結晶成長の評価対象となるシリコン薄膜を説
明する平面図及び断面図である。この基板Ｗは、平板状
のガラス板ＧＰ上に例えば１０００Åの厚さのＳｉＯ₂
膜ＩＬを形成し、このＳｉＯ₂膜ＩＬ上に例えば５００
Åの厚さのアモルファス状のＳｉ膜ＳＬを形成したもの
である。

【００１６】基板Ｗ上のＳｉ膜ＳＬを形成した領域に
は、Ｙ方向に延びる線状のレーザビームＬＢが照射さ
れ、Ｘ方向に一定の速度で一端から他端まで走査され
る。これにより、Ｓｉ膜ＳＬが一端から徐々に多結晶化
され、走査が終了した段階では、Ｓｉ膜ＳＬ全体が多結
晶Ｓｉとなる。具体的に説明すると、図２（ｂ）に示す
ように、レーザビームＬＢの照射前のＳｉ膜ＳＬａはア
モルファス状態となっており、レーザビームＬＢの照射
中のＳｉ膜ＳＬｂは溶融した状態となっており、レーザ
ビームＬＢの照射後のＳｉ膜ＳＬｃは多結晶状態となっ
ている。

【００１７】なお、本実施形態では、Ｓｉ膜ＳＬの一部
領域ＯＡに着目し、ここにおける熱的現象に影響する支
配的なパラメータを選択し、後に詳述するが、これらパ
ラメータを数値的に解析することによって結晶の成長状
態を効率的に評価する。

【００１８】図３は、図２に示すレーザビームＬＢの基
板Ｗ上におけるビームプロファイルと走査とを説明する
図である。レーザビームＬＢ_nのビームプロファイル
は、中心位置、ビーム形状、及びビーム幅によって特定
される。この場合、中心位置がＸnであるとする。ビー
ム形状を例えばガウシャン分布とすると、上記の中心位
置Ｘnは、レーザビームＬＢ_nのピーク位置に対応し、ビ
ーム幅ＢＷは、その半値幅に対応する。また、レーザビ
ームＬＢ_nのピーク強度Ｉpは、そのエネルギ密度に対応
し、レーザビームＬＢ_nの面積は、そのエネルギ量に対
応する。この際、レーザビームＬＢ_nをパルス照射しつ
つ走査を行うので、ビームスポットは、パルス照射の１
サイクルごとにＸ方向に移動量ΔＸだけ移動する。つま
り、１つ前のサイクルのレーザビームＬＢ_n-1の中心位
置Ｘ_n-1は、Ｘ_n-1＝Ｘ_n−ΔＸで与えられる。なお、
（Ｗ−ΔＸ）／Ｗは重複率と呼ばれ、走査のアニールサ
イクルにおいて、ｎ−１番目のサイクルに対応するパル
スＬＢ_n-1と、次のｎ番目のサイクルに対応するパルス
ＬＢ_nとがＸ方向において空間的に重なり合う割合に相
当する。なお、上記ビーム幅ＢＷは例えば０．６ｍｍと
いった用途に応じた適当な数値に設定することができ、
重複率も例えば９０％といった適当な数値に設定するこ
とができる。

【００１９】ところで、ビームプロファイルにおける中
心位置は、現実のレーザアニール装置では、制御できな
い要因によって一定の精度範囲内でランダムに変動する
ものである。このような変動の程度は、ポインティング
スタビリティ、すなわち中心位置の揺らぎの抑制度とし
て捉えることができる。結晶成長の評価に際して、上記
のようなレーザビームの中心位置の揺らぎδＸを考慮す
ることで、現実の現象により即した結晶成長の評価が可
能なる。この揺らぎδＸは、目標位置Ｘからのずれ量で
あり、レーザビームの入射ごとに異なる値となる。

【００２０】また、レーザビームのエネルギ密度も、現
実のレーザアニール装置では、制御できない要因によっ
て一定の精度範囲内でランダムに変動するものである。
このような変動は、エネルギ密度の揺らぎとして捉える
ことができる。結晶成長の評価に際して、上記のような
レーザビームのエネルギ密度の揺らぎδＥを考慮するこ
とで、現実の現象により即した結晶成長の評価が可能な
る。

【００２１】図４は、図３に示すレーザビームＬＢ_nの
経時的変化であるパルスプロファイルを説明するグラフ
である。レーザビームＬＢ_nのパルスプロファイルは、
パルス形状、及びパルス幅によって特定される。パルス
形状は、レーザ光源の特性に応じて適宜設定できるが、
例えばガウシャン分布とすることもできる。パルス幅Ｐ
Ｗは、その半値幅に対応する。

【００２２】図５は、図４に示すレーザビームＬＢ_nの
複数パルスのプロファイルを説明するグラフである。こ
のレーザビームＬＢ_nは、１サイクル分であるが２つの
ピークを含むダブルパルスであり、一対の光源からのレ
ーザビームを適当なタイミングだけずらして合成したも
のである。これにより、先発のレーザビームＬＢ1の照
射時に生成された核あるいは微結晶を中心にして、後発
のレーザビームＬＢ2の照射による余熱でさらなる再成
長をさせることができるようにしている。なお、先行す
るレーザビームＬＢ1の中心時刻ｔ1と、後側のレーザビ
ームＬＢ2の中心時刻ｔ2との差である遅延時間Δｔは、
例えば百数１０ｎｓ程度の時間に設定される。

【００２３】この場合も、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2
のパルスプロファイルは、図４のシングルパルスと同様
に形状、及び幅によってそれぞれ特定される。パルス形
状は、レーザ光源の特性応じて適宜設定できるが、両ビ
ームＬＢ1、ＬＢ2を互いに異なる分布とすることもでき
る。パルス幅ＰＷ1、ＰＷ2は、それぞれの半値幅に対応
する。なお、パルス幅ＰＷ1、ＰＷ2は、遅延時間Δｔよ
りも大きくすることができる。

【００２４】一方、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2のビー
ムプロファイル、すなわち空間的な分布特性は、図３に
示すと同様の特定方法によって、各レーザビームＬＢ
1、ＬＢ2ごとにそれぞれ個別に設定される。

【００２５】なお、一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2の
遅延時間Δｔは、現実のレーザアニール装置では、制御
できない要因によって一定の精度範囲内でランダムに変
動するものである。このような変動すなわちジッタは、
遅延時間Δｔの揺らぎとして捉えることができる。結晶
成長の評価に際して、上記のようなレーザビームの遅延
時間の揺らぎ（ジッタ）δｔを考慮することで、現実の
現象により即した結晶成長の評価が可能なる。

【００２６】以下、図６及び図７を参照して、図１の装
置における結晶成長評価の手順を説明する。

【００２７】まず、ステップＳ１で、オペレータの指示
に従って、レーザアニールを行うに際しての多重パルス
照射法を適宜選択する。具体的には、図４に示すような
シングルパルスとするか、図５に示す２重パルスとする
かの選択を入力装置４を介して主制御装置２に入力し、
主制御装置２の動作モードを決定する。なお、以上の説
明では、多重パルスの一例として２重パルスの場合（図
５参照）についてのみ説明したが、３重以上の多重パル
スを照射するレーザアニールとすることもできる。

【００２８】次に、ステップＳ２で、主制御装置２は、
表示出力装置５を介してオペレータに基本パラメータの
入力を促し、オペレータにより入力装置４を介して入力
された基本パラメータを以後の処理のために記憶装置３
に保存し、或いは記憶装置３から必要なデータを読み出
す。

【００２９】ここで、基本パラメータには、レーザビー
ムＬＢの連続する前後のサイクル間における重複率と、
レーザビームＬＢのビームプロファイルと、パルスプロ
ファイルと、エネルギ密度とが含まれる。ここで、ビー
ムプロファイルは、既述のように、中心位置、ビーム形
状、及びビーム幅によって特定される。また、パルスプ
ロファイルも、既述のように、パルス形状、及びパルス
幅によって特定される。

【００３０】主制御装置２が多重パルス照射モードで動
作する場合、レーザビームＬＢに含まれる複数のパルス
成分のそれぞれについて、ビームプロファイルと、パル
スプロファイルと、エネルギ密度とを入力し、さらに２
番目以降の各パルス成分の遅延時間を入力することにな
る。

【００３１】次に、ステップＳ３で、主制御装置２は、
ポインティングスタビリティに関する情報を設定するか
否かを、入力装置４からのオペレータの指示等に基づい
て判断する。

【００３２】ポインティングスタビリティに関する情報
を設定すると判断した場合、次のステップＳ４に進ん
で、主制御装置２は、表示出力装置５を介してオペレー
タに所定パラメータである中心位置の揺らぎに関するデ
ータの入力を促し、オペレータにより入力装置４を介し
て入力された揺らぎδＸに関するデータを以後の処理の
ために記憶装置３に保存する。なお、中心位置の揺らぎ
データは、入力装置４を介して数値を直接入力する場合
だけに限らず、例えば記憶装置３から必要なデータを読
み出してこれを加工することによって得ることもでき
る。

【００３３】中心位置の揺らぎデータは、レーザビーム
の走査における複数照射サイクルにおいて、Ｓｉ膜ＳＬ
の一部領域ＯＡを重畳して照射する各レーザビームＬＢ
_n-1，ＬＢ_n，ＬＢ_n+1，…ごとに予め用意される。具体
的に説明すると、Ｓｉ膜ＳＬの一部領域ＯＡが１０サイ
クル分のレーザビームのパルス照射（９０％の重複率）
によってアニールされる場合、形状効果を見るために余
分に２０パルス分の揺らぎデータが個別、かつ、一定範
囲内でランダムに設定される。

【００３４】次に、ステップＳ５で、主制御装置２は、
エネルギ密度揺らぎに関する情報を設定するか否かを、
入力装置４からのオペレータの指示等に基づいて判断す
る。

【００３５】エネルギ密度揺らぎに関する情報を設定す
ると判断した場合、次のステップＳ６に進んで、主制御
装置２は、表示出力装置５を介してオペレータに所定パ
ラメータであるエネルギ密度の揺らぎに関するデータの
入力を促し、オペレータにより入力装置４を介して入力
された揺らぎδＥに関するデータを以後の処理のために
記憶装置３に保存する。なお、エネルギ密度の揺らぎデ
ータは、入力装置４を介して数値を直接入力する場合だ
けに限らず、例えば記憶装置３から必要なデータを読み
出してこれを加工することによって得ることもできる。
なお、エネルギ密度の揺らぎデータも、一部領域ＯＡを
重畳して照射する複数サイクルのレーザビームＬ
Ｂ_n-1，ＬＢ_n，ＬＢ_n+1，…ごとに予め用意される。

【００３６】次に、ステップＳ７で、主制御装置２は、
ジッタに関する情報を設定するか否かを、入力装置４か
らのオペレータの指示等に基づいて判断する。

【００３７】ジッタに関する情報を設定すると判断した
場合、次のステップＳ８に進んで、主制御装置２は、表
示出力装置５を介してオペレータに所定パラメータであ
るジッタに関するデータの入力を促し、オペレータによ
り入力装置４を介して入力されたジッタδｔに関するデ
ータを以後の処理のために記憶装置３に保存する。な
お、ジッタすなわち遅延時間の揺らぎデータは、入力装
置４を介して数値を直接入力する場合だけに限らず、例
えば記憶装置３から必要なデータを読み出してこれを加
工することによって得ることもできる。なお、ジッタの
揺らぎデータも、一部領域ＯＡを重畳して照射する複数
サイクルのレーザビームＬＢ_n-1，ＬＢ_n，ＬＢ_n+1，…
ごとに予め用意される。

【００３８】次に、ステップＳ９で、主制御装置２は、
以上のようにして得た基本パラメータ及び所定パラメー
タに基づいて熱伝導方程式を計算して図２に示すＳｉ膜
ＳＬ上の一部領域ＯＡの特定位置における温度等を求め
る。この際用いる熱伝導方程式は、「１９９９年７月１
４日、日本塑性加工学会、シミュレーション統合システ
ム分科会、資料集、第２２号、PP27-32」にも開示のよ
うに、以下のようなものである。

【００３９】次に、ステップＳ１０で、主制御装置２
は、ステップＳ９で得た温度等に基づいて図２の一部領
域ＯＡにおける核生成率を計算する。核生成率Ｉは、以
下の式で与えられる。

【００４０】次に、ステップＳ１１で、主制御装置２
は、図２の一部領域ＯＡの格子点をランダムに選択し、
ランダム核数と核生成率とを比較する。ここで、ランダ
ム核数とは、これまでにランダムに選択した格子点の総
数を意味する。

【００４１】ランダム核数が核生成率よりも小さい限
り、主制御装置２は、一部領域ＯＡの格子点をランダム
に追加し続ける。ランダム核数が核生成率よりも大きく
なると、主制御装置２は、格子点の追加を終了する。

【００４２】次に、ステップＳ１２で、主制御装置２
は、ステップＳ１１でランダムに選択した各格子点に核
が形成され得るとの設定を行う。

【００４３】次に、ステップＳ１３で、主制御装置２
は、核が形成される格子点における核成長率を計算す
る。核成長率Ｖは、以下の式で与えられる。

【００４４】次に、ステップＳ１４で、主制御装置２
は、各格子点における結晶変態率を計算する。結晶変態
率ξは、潜熱等を考慮して以下の式で与えられる。

【００４５】次に、ステップＳ１５で、主制御装置２
は、結晶の形状やサイズを計算によって求める。

【００４６】次に、ステップＳ１６で、主制御装置２
は、レーザビームの照射開始からの時間が１サイクルの
照射時間を超えたか否かを判断する。１サイクルの照射
時間は、あるレーザビームの照射開始から次のレーザビ
ームの照射開始までの時間間隔とすることもできるが、
迅速な処理のため、ある着目している一部領域ＯＡへの
レーザビームの照射後から温度降下によって一部領域Ｏ
Ａが十分に固化するまでの時間に設定することもでき
る。

【００４７】ステップＳ１６で、１サイクルの照射時間
を超えていないと判断した場合、主制御装置２は、時間
カウンタに所定の単位時間、例えば１ｎｓを追加し、ス
テップＳ９に戻って、既述のステップＳ９〜Ｓ１５を繰
返す。ただしこの場合、前回ステップＳ９〜Ｓ１５で求
めた状態から所定時間だけ経過した後における熱伝導方
程式が解かれるので、結晶の状態も僅かに変化する。ス
テップＳ１６で、１サイクルの照射時間を超えたと判断
した場合、次のステップＳ１７に進む。

【００４８】ステップＳ１７では、次のレーザビームの
照射開始に備えて温度をリセットする。

【００４９】次のステップＳ１８で、主制御装置２は、
計算開始からの時間が全行程制限時間を超えたか否かを
判断する。ここで、全行程制限時間は、例えばレーザビ
ームが一部領域ＯＡを完全に通り過ぎるような適当な値
に定めてある。

【００５０】ステップＳ１８で、全行程制限時間を超え
ていないと判断した場合、主制御装置２は、時間カウン
タに所定の単位時間、若しくは次のパルスが入射するま
での残り時間を追加し、ステップＳ９に戻って、既述の
ステップＳ９〜Ｓ１７を繰返す。ただしこの場合、次の
異なるレーザパルスが入射することになるので、ビーム
プロファイルやパルスプロファイルが前回のものから変
動して揺らいでいる。つまり、レーザビームの中心位
置、エネルギ密度、及び遅延時間には、前回と異なるラ
ンダムな揺らぎδＸ、δＥ、δｔが加味されている。

【００５１】このような揺らぎ成分を考えることで、現
実の現象に即した結晶成長の評価が可能なるのみなら
ず、各揺らぎの重畳効果についても予測することがで
き、多結晶Ｓｉの結晶粒サイズの評価や制御が可能にな
る。

【００５２】ステップＳ１８で、全行程制限時間を超え
ていると判断した場合、主制御装置２は、表示出力装置
５に結晶粒サイズ、均一性、結晶化率等のデータを視覚
的に表示させ、結晶成長評価のプログラムを終了する。
ここで、結晶粒サイズや均一性等のデータは、評価の対
象となっている一部領域ＯＡ中の個々の結晶についての
データを統計的に処理することによって得られ、処理後
のデータは様々なグラフや図形に変換して表示される。

【００５３】なお、上記の結晶成長評価プログラムは、
基本パラメータ（ステップＳ２参照）や、そのうちの所
定パラメータの揺らぎ（ステップＳ３等参照）として入
力する数値を適宜変更しつつ、繰り返し実行することが
できる。このような結果を記憶装置３に保存し、全デー
タを統計的に処理すれば、上記基本パラメータの最適値
や影響度が明確になり、上記所定パラメータついての揺
らぎの影響や制御の方向性についても示唆が得られる。

【００５４】以上説明した実施形態の結晶成長評価方法
によれば、レーザアニーリング装置によってＳｉ膜ＳＬ
をポリシリコン化する際のプロセス設計を時間的・コス
ト的に効率化することができ、得られるポリシリコン膜
の形成の高品質化や最適化を図ることができる。さら
に、レーザアニーリング装置の設計の時間的、コスト的
効率化やレーザアニーリング装置の高性能化を図ること
ができる。

【００５５】［第２実施形態］図８は、第２実施形態の
結晶成長評価装置を組み込んだレーザアニーリング装置
６の構造を説明する図である。このレーザアニーリング
装置６は、密閉構造の処理室６０中に、アモルファスシ
リコン層形成後の基板Ｗを載置した状態で基板Ｗととも
に移動する移動ステージ６１と、基板Ｗ上のアモルファ
スシリコン層を加熱して多結晶化するためにエキシマレ
ーザその他のレーザビームＬＢを発生するレーザビーム
源６２と、このレーザビームを線条にして所定の照度で
基板Ｗ上に入射させるビーム整形光学系６３と、基板Ｗ
を載置した移動ステージ６１をビーム整形光学系６３等
に対して必要量だけ相対的に移動させるステージ駆動装
置６５と、処理室６０中を適当な真空度に維持する排気
系６６と、レーザアニーリング装置６全体の動作を統括
的に制御する制御装置６７とを備える。

【００５６】移動ステージ６１の動作は、ステージ駆動
装置６５を介して制御装置６７によって制御されてお
り、移動ステージ６１の移動速度や移動範囲を適宜調節
できるようになっている。

【００５７】レーザビーム源６２の動作は、制御装置６
７によって制御されており、レーザビームＬＢの発生タ
イミング等を適宜設定できるようになっている。なお、
図示の装置構成は、レーザビーム源６２が単一パルスを
発生することを前提としたものであるが、レーザビーム
源６２は、複数の光源光を合成して多重パルスとするも
のであってもよい。この場合、後述するミラー６８ａ、
６８ｂ等の光学系を適宜変更する必要がある。また、制
御装置６７によって、単一パルスと発生するか多重パル
スかの選択を適宜設定することになる。

【００５８】また、ビーム整形光学系６３は、ホモジナ
イザであり、その動作は、ビーム調節装置６３ａを介し
て制御装置６７によって制御されており、基板Ｗ上に入
射させるレーザビームＬＢのビーム形状を適宜調節する
ことができるようになっている。

【００５９】制御装置６７は、第１実施形態の図１に示
すと同様の構造を有するコンピュータからなる。レーザ
ビーム源６２からは、制御装置６７からの制御信号に基
づく所定のタイミングでレーザビームＬＢが出射する。
レーザビーム源６２からのレーザビームＬＢは、ミラー
６８ａを経て、制御装置６７によって制御されて動作す
る光量調節部６９に入射する。光量調節部６９を通過し
て適宜減光されたレーザビームＬＢは、ミラー６８ｂを
経てビーム整形光学系６３に入射する。ビーム整形光学
系６３は、制御装置６７によって制御されて例えば矩形
断面のレーザビームＬＢを所望のビームプロファイルの
線条ビームに変換する。つまり、ビーム整形光学系６３
を通過したレーザビームＬＢは、処理室６０上部に形成
したウィンドウ６０ａを経て基板Ｗ上においてＹ軸方向
に延びる線条ビームとして投影される。

【００６０】以下、図３のレーザアニーリング装置６の
動作について説明する。まず、アモルファスシリコン層
を形成した直後の基板Ｗをレーザアニーリング装置６中
に搬入し、移動ステージ６１上に載置する。次に、ステ
ージ駆動装置６５を動作させることにより、ビーム整形
光学系６３に対して移動ステージ６１をＸ軸方向に一定
速度で移動させる。ビーム整形光学系６３からのレーザ
ビームＬＢは、Ｙ方向に延びる線条ビーム像として、例
えば基板Ｗの一端から他端に移動するので、基板Ｗ全面
の光走査が行われることになる。これにより、基板Ｗ上
のアモルファスシリコン層が迅速にアニールされ、ポリ
シリコン層が形成される。

【００６１】なお、制御装置６７は、レーザアニールに
際して、移動ステージ６１、レーザビーム源６２、ビー
ム整形光学系６３等の動作を個別に制御するだけでな
く、基板Ｗを最適な条件で処理できるように、各種プロ
グラムを実行する。例えば、図６及び図７に示す結晶成
長評価方法を制御装置６７にて実行することにより、基
板Ｗ上のアモルファスシリコン層の多結晶化の状況、具
体的には結晶粒サイズの平均値や均一性を予測すること
ができる。さらに、レーザアニールによって得たシリコ
ンの多結晶化の状態が所望のものとなっていない場合
に、その結果をフィードバックしてレーザアニールの条
件を修正する際の指針を簡易に得ることができ、レーザ
アニールの最適化を図ることが容易になる。

【００６２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の結晶成長評価方法によれば、基本パラメータのみなら
ず、ゆらぎ成分に基づいて対象物に関する熱伝導方程式
を解いて、対象物中における結晶の成長を統計的に計算
するので、対象物中における多結晶の生成過程をより精
密に反映した結晶成長の評価が可能になる。よって、こ
の結晶成長評価方法をレーザアニーリングによって実際
に結晶成長させる際の条件設定に利用すれば、斯かるレ
ーザアニーリングの条件設定を容易にすることができ、
所望の結晶状態の材料を短期間で迅速に開発することが
できる。つまり、ポリシリコン膜等を形成する際のプロ
セス設計を時間的・コスト的に効率化することができ、
ポリシリコン膜等の形成の高品質化や最適化を図ること
ができる。さらに、レーザアニーリング装置の設計の時
間的、コスト的効率化やレーザアニーリング装置の高性
能化を図ることができる。

【００６３】本発明の結晶成長評価装置によれば、結晶
成長演算手段が、基本パラメータのみならず、ゆらぎ成
分に基づいて対象物に関する熱伝導方程式を解いて、対
象物中における結晶の成長を統計的に計算するので、対
象物中における多結晶の生成過程をより精密に反映した
結晶成長の評価が可能になる。よって、この結晶成長評
価装置をレーザアニーリングによって実際に結晶成長さ
せる際の条件設定に利用すれば、斯かるレーザアニーリ
ングの条件設定を容易にすることができ、所望の結晶状
態の材料を短期間で迅速に開発することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の結晶成長評価装置の構造を説明
するブロック図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は、レーザアニールによる結晶
成長の評価対象となるシリコン薄膜を説明する平面図及
び断面図である。

【図３】図２に示すレーザビームの基板上におけるビー
ムプロファイルを説明するグラフである。

【図４】図３に示すレーザビームの経時的変化であるパ
ルスプロファイルを説明するグラフである。

【図５】図４に示すレーザビームのパルスファイルの変
形例を説明するグラフである。

【図６】結晶成長評価の手順を説明するフローチャート
である。

【図７】結晶成長評価の手順を説明するフローチャート
である。

【図８】第２実施形態の結晶成長評価装置を組み込んだ
レーザアニーリング装置の構造を説明する図である。

【符号の説明】

２ 主制御装置 ３ 記憶装置 ４ 入力装置 ５ 表示出力装置 ６ レーザアニーリング装置 ６０ 処理室 ６１ 移動ステージ ６２ レーザビーム源 ６３ ビーム整形光学系 ６３ａ ビーム調節装置 ６５ ステージ駆動装置 ６７ 制御装置 ６９ 光量調節部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物へのレーザビームの多重照射に関
   する基本パラメータを入力する第１工程と、 前記基本パラメータのうち所定パラメータについてゆら
   ぎ成分を設定する第２工程と、 前記基本パラメータ及び前記ゆらぎ成分に基づいて前記
   対象物に関する熱伝導方程式を解いて、前記対象物中に
   おける結晶の成長を統計的に計算する第３工程とを備え
   る結晶成長評価方法。
2. 【請求項２】 前記基本パラメータは、前記レーザビー
   ムの中心位置、分布、及びエネルギ密度、並びに前記レ
   ーザビームを多重照射する際の重複率を含み、前記所定
   パラメータは、前記中心位置、及び前記エネルギ密度を
   含むことを特徴とする請求項１記載の結晶成長評価方
   法。
3. 【請求項３】 前記レーザビームは、所定遅延時間をお
   いて前記対象物に逐次照射される一対のパルスレーザで
   あり、前記基本パラメータ及び前記所定パラメータは、
   前記所定遅延時間を含むことを特徴とする請求項２記載
   の結晶成長評価方法。
4. 【請求項４】 前記第３工程では、前記熱伝導方程式を
   解いて、核生成率、結晶成長速度、結晶変態率、結晶形
   状及び結晶寸法を順次決定することを特徴とする請求項
   １から請求項３のいずれか記載の結晶成長評価方法。
5. 【請求項５】 対象物へのレーザビームの照射に関する
   基本パラメータを記憶する基本パラメータ記憶手段と、 前記基本パラメータのうち所定パラメータについてゆら
   ぎ成分を設定するゆらぎ成分設定手段と、 前記基本パラメータ及び前記ゆらぎ成分に基づいて前記
   対象物に関する熱伝導方程式を解いて、前記対象物中に
   おける結晶の成長を統計的に計算する結晶成長演算手段
   とを備える結晶成長評価装置。