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初年度(平成4年度)および次年度では、分子線蒸着法によりガラス基板上に成膜した非晶質シリコンをKrFエキシマレーザによりアニール処理を行い、溶融再結晶化による多結晶シリコン膜の作製について検討を行った。最終年度(平成6年度)では、さらに多結晶シリコン薄膜の良質化を進めるために以下の実験を行った。
1.エキシマレーザビームの照射面内についてのエネルギー密度の不均一性を抑制し、より効果的なアニール処理を行うために、エネルギー損失が少なく、かつ安価に照射面内での均一化を行える多面鏡ホモジナイザーを試作した。その結果、アニール処理の面内均一化を計ることができた。
2.同一エネルギー密度のレーザビームを使用した場合では、レーザ照射回数と共にグレインサイズおよびアニール深さは増加することが分ったが、レーザ照射回数の増加と共にその効果は飽和傾向を示した。レーザパワーを300mJ/cm^2程度と高くすることにより、一回のレーザ照射でも十分均一なアニールを行うことが確認され、レーザアニール処理の高効率化を実現できた。
3.レーザ照射と同時に基板の加熱を行うことにより、ガラス基板への熱拡散が抑制され、シリコン薄膜全体を溶融させることが可能であることが分った。またレーザ照射時の基板加熱は、薄膜の冷却速度の遅延により凝固速度が低くなり、その結果グレインサイズの拡大化およびグレイン内部の結晶性向上に効果があることが分った。以上より、エネルギー密度300mJ/cm^2、基板加熱300℃でレーザアニールを行った結果、膜厚100nmでは平均0.2μmのグレインサイズを有する多結晶シリコン膜を得ることができた。
4.水素プラズマ処理により、レーザアニール多結晶化シリコンの粒界にあるダングリングボンドの終端化がなされ、さらに水素原子のシリコン薄膜内での拡散時間が短縮する効果があることをSIMS測定により確認できた。
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