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JPH0793260B2 - Single crystal thin film forming equipment - Google Patents
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JPH0793260B2 - Single crystal thin film forming equipment - Google Patents

Single crystal thin film forming equipment

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JPH0793260B2
JPH0793260B2 JP6559787A JP6559787A JPH0793260B2 JP H0793260 B2 JPH0793260 B2 JP H0793260B2 JP 6559787 A JP6559787 A JP 6559787A JP 6559787 A JP6559787 A JP 6559787A JP H0793260 B2 JPH0793260 B2 JP H0793260B2
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JP
Japan
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thin film
silicon thin
crystal silicon
single crystal
crystal
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JP6559787A
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隆志 糸賀
正義 木場
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は半導体装置を製造する分野で利用される単結晶
薄膜形成装置の改良に関し、さらに詳細には非晶質下地
上に形成した非晶質あるいは多結晶等の非単結晶シリコ
ン薄膜にCWレーザー光を照射して、非単結晶シリコン薄
膜を溶融させて単結晶化する装置に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an improvement of a single crystal thin film forming apparatus used in the field of manufacturing a semiconductor device, and more specifically, to an amorphous film formed on an amorphous underlayer. The present invention relates to an apparatus for irradiating a non-single-crystal silicon thin film of high quality or polycrystal with CW laser light to melt the non-single-crystal silicon thin film to single crystal.

〈従来の技術〉 従来より結晶性を有しない絶縁膜の上に非晶質あるいは
多結晶等の非単結晶シリコン薄膜を形成し、この非単結
晶シリコン薄膜にエネルギービーム照射を行ったりヒー
タランプ等による加熱を行って溶融再結晶化させること
により単結晶薄膜を作製する方法(いわゆるSOI(Silic
on on Insulator)技術)が提案されている。
<Prior art> Amorphous or polycrystalline non-single-crystal silicon thin film is formed on an insulating film that is not crystalline, and the non-single-crystal silicon thin film is irradiated with an energy beam or a heater lamp, etc. A method for producing a single crystal thin film by heating and melting and recrystallizing it (so-called SOI (Silic
on on Insulator) technology) has been proposed.

従来より提案されている方法として第6図(a)に示す
ようにシリコン基板11の上に絶縁膜12を形成し、さらに
その上に非晶質あるいは多結晶の非単結晶シリコン薄膜
13を形成した後、第6図(b)に示すようにガウス分布
を有するレーザービーム照射を行ったりヒータやランプ
による加熱15を行って単結晶化膜14を得ている。
As a conventionally proposed method, an insulating film 12 is formed on a silicon substrate 11 as shown in FIG. 6 (a), and an amorphous or polycrystalline non-single-crystal silicon thin film is further formed thereon.
After forming 13, the single crystallized film 14 is obtained by irradiating a laser beam having a Gaussian distribution or heating 15 by a heater or a lamp as shown in FIG. 6 (b).

しかし、この方法で得られるシリコン単結晶膜14の結晶
粒の大きさは大きくなく、この膜にトランジスタを形成
しても良好な動作特性を示さない。
However, the size of the crystal grains of the silicon single crystal film 14 obtained by this method is not large, and even if a transistor is formed in this film, good operating characteristics are not exhibited.

そのため第7図に示すように非単結晶シリコン薄膜13の
上に絶縁膜16を形成し、さらにその上に非単結晶シリコ
ン薄膜17を選択的に形成するなどして、レーザー光の反
射率を周期的に変化させたものの上をガウス分布を有す
るレーザー光15を矢印の方向に走査していくことによ
り、非単結晶シリコン薄膜13は反射率が最大である部分
の直下を核として結晶成長していくため反射率が最大で
ある部分の間隔を幅を有する単結晶が得られる。
Therefore, as shown in FIG. 7, the insulating film 16 is formed on the non-single-crystal silicon thin film 13, and the non-single-crystal silicon thin film 17 is selectively formed on the insulating film 16 to improve the reflectance of the laser beam. By scanning a laser beam 15 having a Gaussian distribution in the direction of the arrow on the periodically changed one, the non-single crystal silicon thin film 13 grows as a nucleus immediately below the portion where the reflectance is maximum. As a result, a single crystal having a width of the portion having the maximum reflectance can be obtained.

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし上記した従来の方法では割合に頻繁に起こるレー
ザー光のガウス分布からの強度のずれが現れた場合に反
射率が最大である部分の直下が、温度が低いという現象
が正しく生じなくなり、単結晶部に粒界や結晶欠陥が入
り意図した大きさの単結晶が得られない。そのため偶々
この部分に作製したトランジスタが動作不良を起こして
しまうという問題点があった。
<Problems to be solved by the invention> However, in the above-mentioned conventional method, when the deviation of the intensity from the Gaussian distribution of the laser beam occurs frequently, the temperature directly below the part where the reflectance is maximum is The phenomenon of lowness does not occur correctly, and grain boundaries and crystal defects are included in the single crystal portion, and a single crystal of an intended size cannot be obtained. Therefore, there is a problem that the transistor formed in this portion happens to malfunction.

本発明は上記の点に鑑みて創案されたもので、頻繁に起
こるレーザーの強度分布の変化に対しても、試料に照射
されるレーザーの強度分布はある程度緩和され、一様の
強度分布を有するレーザー光による再結晶化を可能とす
る単結晶薄膜形成装置を提供することを目的としてい
る。
The present invention has been devised in view of the above points, and the intensity distribution of the laser irradiated on the sample is relaxed to some extent even with frequent changes in the intensity distribution of the laser, and has a uniform intensity distribution. It is an object of the present invention to provide a single crystal thin film forming apparatus which enables recrystallization by laser light.

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明は単結晶基板上に絶
縁膜と第1の非単結晶シリコン薄膜とを形成し、さらに
前記第1の非単結晶シリコン薄膜の上に絶縁膜を介して
レーザービームの走査方向に第2の非単結晶シリコン薄
膜を選択的に形成し、この第2の非単結晶シリコン薄膜
の上部よりレーザービームを照射して上記第1の非単結
晶シリコン薄膜を溶融再結晶化する単結晶薄膜形成装置
において、 直径50〜300μmの円内に集光した光が均一な強度分布
になるように上記レーザービームの光路中に1枚の凸レ
ンズよりなる第1の光学手段と中央の凸レンズとこの凸
レンズの周囲に配置した6個の凸レンズからなり、この
6個の凸レンズはその中心に入射する光の光路に対して
垂直になるよう傾けて並置され、前記第1の光学手段か
らの光が各凸レンズに入射するようにしたレンズ群より
なる第2の光学手段とを組み合わせたビーム形状成形手
段を設けるように構成している。
<Means for Solving the Problems> In order to achieve the above object, the present invention forms an insulating film and a first non-single-crystal silicon thin film on a single-crystal substrate, and further, the first non-single-crystal. A second non-single-crystal silicon thin film is selectively formed on the silicon thin film in the scanning direction of the laser beam through the insulating film, and the laser beam is irradiated from above the second non-single-crystal silicon thin film. In a single crystal thin film forming apparatus for melting and recrystallizing a first non-single crystal silicon thin film, in the optical path of the laser beam so that the light condensed in a circle having a diameter of 50 to 300 μm has a uniform intensity distribution, The first optical means is composed of a single convex lens, a central convex lens, and six convex lenses arranged around the convex lens. The six convex lenses are arranged so as to be perpendicular to the optical path of the light incident on the center thereof. Tilt and juxtaposed The light from the first optical means is configured to provide a second beam shape forming means combining optical means consisting of a lens group which is adapted to enter into the convex lenses.

即ち、本発明はレーザー光の照射光路の一部に複数の凸
レンズから成るビーム形状成形手段を置き、試料に照射
されるレーザー光が一様に近い分布を有するようにし、
非単結晶シリコン薄膜から単結晶シリコン薄膜を得る際
に安定で粒界や結晶欠陥が少ない単結晶薄膜を得るよう
にしたものである。
That is, according to the present invention, a beam shape shaping means composed of a plurality of convex lenses is provided in a part of the irradiation optical path of the laser light so that the laser light irradiated to the sample has a nearly uniform distribution,
When a single crystal silicon thin film is obtained from a non-single crystal silicon thin film, a single crystal thin film that is stable and has few grain boundaries and crystal defects is obtained.

〈作用〉 直径30mm程度の平行なレーザー光の光路中に1枚の凸レ
ンズと複数の凸レンズを光路に合うように並置したレン
ズ群とを組合せたビーム形状成形手段を入れることによ
り、試料に照射される面のレーザー光の強度分布は一様
に近く、若しもとのレーザー光の強度分布がガウス分布
からずれた場合でも試料に照射される面の分布のずれは
小さくなる。
<Operation> By irradiating the sample with a beam shape shaping means that combines one convex lens and a lens group in which a plurality of convex lenses are juxtaposed to match the optical path in the optical path of a parallel laser beam with a diameter of about 30 mm, the sample is irradiated. The intensity distribution of the laser light on the surface is almost uniform, and even if the intensity distribution of the original laser light deviates from the Gaussian distribution, the deviation of the distribution of the surface irradiated on the sample becomes small.

従って、第1の非単結晶シリコン薄膜の、第2の非単結
晶シリコン薄膜によって反射されるレーザービームの反
射率が最大である部分の直下の温度が常に低いという現
象が正しく生じ、意図した大きさの単結晶を得ることが
できる。
Therefore, the phenomenon that the temperature immediately below the portion of the first non-single-crystal silicon thin film where the reflectance of the laser beam reflected by the second non-single-crystal silicon thin film is maximum is always low occurs correctly, and the intended size is increased. Can be obtained.

〈実施例〉 以下図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。
<Embodiment> An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例の単結晶薄膜形成装置の構成
を示す図であり、1はレーザー光源、2は反射ミラー、
3は本発明にしたがってレーザーの光路4中に設けられ
たビーム形状成形手段、5は薄膜試料、6は試料載置台
であり、レーザー光源1から照射されたレーザ光が試料
載置台6上にセットされた薄膜試料5に照射され走査さ
れる。試料5の薄膜は従来公知の方法によって作製され
た多結晶或いは非晶質のシリコン薄膜からなる単結晶化
すべき薄膜を有しており、シリコン単結晶基板上にSiO2
等の絶縁性薄膜を介して被着されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a single crystal thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention, in which 1 is a laser light source, 2 is a reflection mirror,
3 is a beam shape shaping means provided in the optical path 4 of the laser according to the present invention, 5 is a thin film sample, 6 is a sample mounting table, and the laser light emitted from the laser light source 1 is set on the sample mounting table 6. The thin film sample 5 thus formed is irradiated and scanned. Thin film of the sample 5 has a polycrystalline or thin film to be a single crystal made of an amorphous silicon thin film which is produced by a conventionally known method, SiO 2 on a silicon single crystal substrate
Is deposited through an insulating thin film such as.

レーザー光源1と試料5との間のレーザー光路4上に
は、レーザー光の強度分布を制御するためのビーム形状
成形手段3が設けられている。このビーム形状成形手段
3は後述するように1枚の凸レンズよりなる第1の光学
手段7と複数枚の凸レンズをレーザーの光路に合うよう
に並べて構成した第2の光学手段8とを組合せて構成さ
れており、第2図(a)に示すガウス分布をもって放射
されたレーザー光を第2図(b)に示すような一様な強
度分布に変える。
On the laser light path 4 between the laser light source 1 and the sample 5, beam shape shaping means 3 for controlling the intensity distribution of the laser light is provided. As will be described later, the beam shape shaping means 3 is configured by combining a first optical means 7 composed of one convex lens and a second optical means 8 formed by arranging a plurality of convex lenses so as to match the optical path of the laser. The laser light emitted with the Gaussian distribution shown in FIG. 2 (a) is changed into a uniform intensity distribution as shown in FIG. 2 (b).

第3図及び第4図は上記強度分布に変換するための第2
の光学手段8及び第1の光学手段7の詳細な構成を示す
図である。
3 and 4 are the second for converting to the above intensity distribution.
It is a figure which shows the detailed structure of the optical means 8 and the 1st optical means 7 of this.

第3図(a)及び(b)はそれぞれ本発明の中心となる
7個の凸レンズ81〜87より構成された第2の光学手段8
の詳細構成を示す平面図及び断面図である。この第2の
光学手段8は第4図(a),(b)に示す単一の凸レン
ズ71よりなる第1の光学手段7と組合せてビーム形状成
形手段3を形成しているが、第3図(a)及び(b)に
示すように7個のレンズ81〜87のうち、外側の6個のレ
ンズ81〜86は第4図(a),(b)に示す一枚の凸レン
ズ71を通って来たレーザー光が内側へ向かって集光して
いく光路に合わせて、光部の主軸に対して垂直になるよ
う傾けてそれぞれ並置している。
FIGS. 3 (a) and 3 (b) respectively show the second optical means 8 composed of seven convex lenses 81 to 87 which are the core of the present invention.
3A and 3B are a plan view and a cross-sectional view showing the detailed configuration of FIG. The second optical means 8 forms the beam shape shaping means 3 in combination with the first optical means 7 consisting of a single convex lens 71 shown in FIGS. As shown in FIGS. (A) and (b), out of the seven lenses 81 to 87, the outer six lenses 81 to 86 are the convex lenses 71 shown in FIGS. 4 (a) and (b). The laser beams that have passed through are aligned side by side so as to be perpendicular to the main axis of the optical section, in line with the optical path that focuses the light toward the inside.

また、上記第3図(a),(b)に示した7個のレンズ
81〜87の焦点距離は第5図に示すように、ビーム形状成
形手段3を通ったレーザー光が焦点を結んだ後に直径l
が約50〜300μm(例えば約60μm)のビーム径になっ
たときに、7個の全てのレンズ81〜88のビームが重なる
ように設計している。
Also, the seven lenses shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) above.
The focal lengths 81 to 87 are, as shown in FIG. 5, a diameter l after the laser light passing through the beam shaping means 3 is focused.
Is designed so that the beams of all seven lenses 81 to 88 overlap when the beam diameter becomes about 50 to 300 μm (for example, about 60 μm).

上記のようにレーザービーム形状成形手段3を構成する
ことにより、第2図(a)に示すガウス分布やそれに近
い分布を有するレーザー光から第2図(b)に示すよう
に一様に近い強度分布を有する光が得られ、その結果粒
界や結晶欠陥の生じない単結晶化が行なわれることにな
る。
By configuring the laser beam shape shaping means 3 as described above, the intensity of a laser beam having a Gaussian distribution shown in FIG. 2 (a) or a distribution close thereto can be made uniform as shown in FIG. 2 (b). Light having a distribution is obtained, and as a result, single crystallization without grain boundaries or crystal defects is performed.

〈発明の効果〉 以上のように本発明によればレーザー光がガウス分布の
みならず、それからずれた分布を有していても常に一様
に近い分布を有するレーザー光を試料に照射することが
できるために非単結晶シリコン膜を単結晶化する場合に
従来より大きい結晶粒のものが得られる。また本発明に
よるビーム形状成形手段を使用した場合には、最小値が
最大値の6%であるガウス分布を有する光は7.5%以内
の一様性を有する直径50〜300μmのビームとなり、更
に最小値が最大値の50%である平面分布を有する光は15
%以内の一様性を有する直径50〜300μmのビームとな
るため、レーザー光の強度分布がガウス分布からずれた
場合にも、試料に照射される面の強度分布のずれは小さ
くなり、その結果安定で粒界や結晶欠陥が少ない単結晶
シリコン薄膜を得ることが出来る。
<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, it is possible to irradiate a sample with a laser beam having a nearly uniform distribution, even if the laser beam has a Gaussian distribution and a distribution deviating from the Gaussian distribution. Therefore, when the non-single-crystal silicon film is single-crystallized, crystal grains having larger crystal grains than those in the conventional case can be obtained. Further, when the beam shaping means according to the present invention is used, the light having a Gaussian distribution whose minimum value is 6% of the maximum value becomes a beam having a diameter of 50 to 300 μm with a uniformity of 7.5% or less. Light with a planar distribution whose value is 50% of the maximum is 15
%, The beam with a diameter of 50 to 300 μm has uniformity, so even if the intensity distribution of the laser light deviates from the Gaussian distribution, the deviation of the intensity distribution of the surface irradiated on the sample will be small. A single crystal silicon thin film that is stable and has few grain boundaries and crystal defects can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施装置の構成を示す模式図、第2
図(a)及び(b)はそれぞれガウス形状及び一様形状
のレーザー光強度分布を示す図、第3図(a)及び
(b)はそれぞれ本発明における第2の光学手段の具体
的構成例を示す平面図及び断面図、第4図(a)及び
(b)はそれぞれ本発明における第1の光学手段の具体
的構成例を示す平面図及び断面図、第5図は本発明の一
実施例におけるビーム形状成形手段を構成するレンズの
焦点距離を示す図、第6図(a),(b)及び第7図は
それぞれ従来の単結晶薄膜形成方法を説明するための図
である。 1……レーザー光源、2……反射ミラー、3……ビーム
形状成形手段、4……レーザーの光路、5……薄膜試
料、6……試料載置台、7……第1の光学手段、8……
第2の光学手段、11……シリコン基板、12……絶縁膜、
13……非単結晶シリコン薄膜、14……単結晶シリコン薄
膜。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention, and FIG.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing laser light intensity distributions having a Gaussian shape and a uniform shape, respectively, and FIGS. 3A and 3B are concrete configuration examples of the second optical means in the present invention. And FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b) are plan views and sectional views, respectively, showing a concrete configuration example of the first optical means in the present invention, and FIG. FIGS. 6 (a), 6 (b) and 7 show the focal length of the lens forming the beam shape shaping means in the example, and FIGS. 6 (a), 6 (b) and 7 are views for explaining the conventional single crystal thin film forming method. 1 ... Laser light source, 2 ... Reflection mirror, 3 ... Beam shape shaping means, 4 ... Laser optical path, 5 ... Thin film sample, 6 ... Sample mounting table, 7 ... First optical means, 8 ......
Second optical means, 11 ... Silicon substrate, 12 ... Insulating film,
13 …… Non-single crystal silicon thin film, 14 …… Single crystal silicon thin film.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶基板上に絶縁膜と第1の非単結晶シ
リコン薄膜とを形成し、さらに前記第1の非単結晶シリ
コン薄膜の上に絶縁膜を介してレーザービームの走査方
向に第2の非単結晶シリコン薄膜を選択的に形成し、こ
の第2の非単結晶シリコン薄膜の上部よりレーザービー
ムを照射して上記第1の非単結晶シリコン薄膜を溶融再
結晶化する単結晶薄膜形成装置において、 直径50〜300μmの円内に集光した光が均一な強度分布
になるように上記レーザービームの光路中に1枚の凸レ
ンズよりなる第1の光学手段と中央の凸レンズとこの凸
レンズの周囲に配置した6個の凸レンズからなり、この
6個の凸レンズはその中心に入射する光の光路に対して
垂直になるよう傾けて並置され、前記第1の光学手段か
らの光が各凸レンズに入射するようにしたレンズ群より
なる第2の光学手段とを組み合わせたビーム形状成形手
段を設けてなることを特徴とする単結晶薄膜形成装置。
1. An insulating film and a first non-single-crystal silicon thin film are formed on a single crystal substrate, and the insulating film is further formed on the first non-single-crystal silicon thin film in the scanning direction of a laser beam. A single crystal in which a second non-single-crystal silicon thin film is selectively formed, and a laser beam is irradiated from above the second non-single-crystal silicon thin film to melt and recrystallize the first non-single-crystal silicon thin film. In the thin film forming apparatus, the first optical means consisting of one convex lens and the central convex lens are provided in the optical path of the laser beam so that the light condensed in a circle having a diameter of 50 to 300 μm has a uniform intensity distribution. It consists of 6 convex lenses arranged around the convex lens, and these 6 convex lenses are juxtaposed so as to be perpendicular to the optical path of the light incident on the center thereof, and the light from the first optical means is It enters the convex lens The lenses single crystal thin film forming apparatus characterized by comprising providing a beam shape forming means combining the second optical means consisting of a group.
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