シェブロン型レーザビーム走査による走査領域の局所単結晶化

ＪＳＴ 材料新技術説明会 2016.7.

島根大学大学院 総合理工学研究科准教授 葉 文昌

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ガラス基板上半導体膜の応用と問題点

平面ディスプレイ薄膜Si太陽電池

n

ip

ガラス基板

結晶粒界

粒界での再結合⇒効率の低下

n

ip

ガラス基板

電極

種結晶

変換効率が改善されていない

粒界制御と大粒径化⇒高効率化

高解像度化と高レート化と共に、薄膜トランジスタ(TFT)の大きい移動度が求められる

a-Si移動度

<1 cm2/Vs

IGZO ~10 cm2/Vs

Poly-Si >100 cm2/Vs

最大解像度@120HzFull HD

4K8K

>8K4K

近年、スマートフォンのVR応用が提案されている

網膜細胞の解像度限界を実現するには、両目で16K8Kが必要(～3000dpi)単結晶Si-TFTでのみ、高い均一性と高い移動度とを実現できる

問題点：単結晶Si膜のガラス上への形成2

エキシマレーザ結晶化法 cw レーザアニール

SiO2

SiSiO2

Siレーザ

核発生

レーザ

レーザ

結晶粒界

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これまでのpoly-Si薄膜の形成方法

T. Sameshima et. al. N. Sasaki et. al.

ゲート ゲート

ソース

ドレイン

断面図

平面図

ソース

ドレイン

移動方向

移動度低下均一性劣化

均一性劣化オフ時漏れ電流

TFT形成後

cwレーザアニールにおけるSi膜単結晶化への試み

単結晶粒

多結晶

ドーナツ型ビーム

気体レーザに凹面共振鏡を用いて生成

デュアルビーム

二のレーザスポットを位置合せ

ドーナツ型ビーム走査 デュアルビーム走査

S. Kawamura ら, APL 40, p394 (1981)N. Sasaki ら, APL 45, p1098 (1984)

半導体レーザが応用できない数百ミクロンオーダー多結晶領域が形成される

ビームアライメントが困難数十ミクロンオーダー多結晶領域が形成される

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1.シェブロン型ビーム走査

本研究の提案

単一LDが使用可ビームのアレイ化が容易

→スキャン方向単結晶Si

poly-Si

熔融Si

a-Si

結晶成長方向

シェブロン型レーザビーム

単一LDの出力

2.考案した片側ダブプリズムによるシェブロン型ビーム生成

W. Yeh et.al, APEX, 9, 025503 (2016).

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実験方法

回転台

405nm, 1.2W, cw-LD光学系

周速度 0.02 m/s

試料

装置概略図：

試料構造：

Si:60nmSiO2: 300nm

ガラス基板

成膜方法：

Si、SiO2ともにPECVD

回転台曲率半径：200mm

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Scan direction ➡

実験結果

10µm

レーザ照射されたSi膜の可視光像

Ｉ型ビーム結晶化Ｓｉ膜のセコエッチング後ＳＥＭ像

Si膜のＥＢＳＤ像

従来のＩ型ビーム

I型ビームでは単結晶化には至らない！ 7

10µm

レーザ照射されたSi膜の可視光像

結晶化Ｓｉ膜のセコエッチング後ＳＥＭ像

本研究が提案したシェブロン型ビーム

25µm

Si膜のＥＢＳＤ像（ND方向）

単結晶成長に成功！ 8

試料構造：

Si:60nmSiO2: 300nm

極薄フレキシブルガラス基板170µm

極薄フレキシブルガラス基板への応用例

シェブロン型レーザビーム（レーザ点滅により不連続結晶成長）

回転ロール

成膜方法：

Si、SiO2ともに低温スパッタ堆積

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フレキシブルガラス基板上へ形成した単結晶粒のＥＢＳＤ像（ND方向）

異なるレーザパワーで走査した後の、セコエッチング後可視光像

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シェブロン型レーザビーム

Rotating role

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従来技術と比較した時の本方法の利点

エキシマレーザ結晶化技術

面照射⇒不要領域も結晶化気体レーザ⇒不安定、高コスト多結晶膜⇒性能低い

本方法

ピンポイント選択照射固体レーザ単結晶膜

ディスプレイ顕微鏡写真

TFTチャネルが占める面積：<1/100大画面化とともに比率は桁違いに小さくなる

シェブロン型ビーム

a-Si膜

基板

結晶化領域

低い装置コストと維持コスト、桁違いに高いスループット、高性能単結晶Si-TFT

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企業への期待

装置の共同開発デバイスの共同開発特許のライセンス

問い合わせ先

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：結晶化方法、パターニング方法、および、薄膜トランジスタ作製方法

• 出願番号：特願2015-135706• 出願人：国立大学法人島根大学• 発明者：葉 文昌

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島根大学研究機構産学連携センター

地域産業共同研究部門 教授 北村寿宏

Tel: 0852-60-2290 Fax: 0852-60-2395

e-mail： crcenter@ipc.shimane-u.ac.jp

島根大学研究機構産学連携センター

知的財産創活部門 教授 阿久戸敬治

Tel: 0852-60-2290 Fax: 0852-60-2395

e-mail : akuto＠riko.shimane-u.ac.jp