ディスプレイ・バックプレーン工程 #06 — ELA ① ナノ秒の魔法、アモルファスから多結晶へ

ついにこのシリーズで最も劇的な工程に到達しました。名は ELA（Excimer Laser Annealing、エキシマレーザーアニール）。紫外レーザーがシリコン膜を数十ナノ秒のあいだ溶かして固める、まばたきより百万倍ほど短い瞬間に材料の運命が決まる工程です。LTPSの「P（多結晶）」がつくられるまさにその瞬間であり、LTPSという名前そのものがこの工程のおかげで存在します。

なぜここまでするのか——性能の落差

非晶質と多結晶の違いは好みの問題ではなく桁の問題です。

項目	a-Si:H	ELA多結晶シリコン	違いの性質
原子配列	無秩序（長距離秩序なし）	結晶粒のモザイク	構造が違う
電子移動度	0.5〜1 cm²/Vs	数十〜数百 cm²/Vs	約100倍
P型素子	事実上不可	可能（CMOS構成）	回路設計の自由度
オン・オフ比	約10⁵	10⁹以上	四桁
素子間ばらつき	小さい	大きい（結晶粒界の位置に依存）	LTPSが不利
工程数	少ない	多い（レーザー工程が加わる）	原価差

電子の立場からすれば、非晶質は霧のかかった砂利道、多結晶は舗装道路です。ただし舗装道路には継ぎ目（結晶粒界）があり、その継ぎ目が場所ごとに違って敷かれるというのがLTPSの宿命です。第1回で「LTPSは移動度で圧倒的だが均一度で負ける」と述べた理由が、この表の五行目です。LTPS工程の半分はこの均一性を取り戻すための戦いだと言っても過言ではありません。

なぜレーザーでなければならないのか

シリコンを結晶化する最も単純な方法は長く焼くことです（固相結晶化）。しかしディスプレイでは不可能です——前回見た温度の天井があるからです。ガラスは歪点を越えると形状が崩れ、フレキシブルなPI基板はそれより低い温度で損傷します。

レーザーがこのジレンマを優雅に解きます。要点は「表面だけ、ほんの一瞬」です。紫外レーザーパルスはシリコン表面の数十ナノメートルの深さでほぼすべて吸収され、その薄い層だけを瞬間的に溶かします。308nmの紫外に対するシリコンの吸収深さは10nm以下で、厚さ50nmのシリコン膜でも光は表面近傍で終わります。

ところが吸収が浅いというだけでは足りません。熱は吸収された場所にとどまらず広がるからです。ここで決定的になるのが時間です。熱が時間tのあいだに広がる距離はおおよそ√(D·t)であり（Dは熱拡散率）、ナノ秒の単位ではこの値が極端に小さくなります。

パルス幅	シリコン中で熱が広がる距離	ガラス中で広がる距離	意味
10ns	約0.92μm	約0.09μm	シリコン膜厚の数十倍
30ns	約1.60μm	約0.16μm	ELAの代表的条件
50ns	約2.06μm	約0.21μm	長パルス型
200ns	約4.12μm	約0.42μm	熱が基板へ漏れはじめる

表の三列目がこの工程の存在理由です。ガラスの熱拡散率はシリコンの100分の1程度なので、30nsパルスで熱がガラス内部へ入り込む深さは0.2μmにも届きません。ガラスの厚さが0.5mm前後ですから、温まるのは最上層の2,500分の1にすぎません。結果としてシリコンは1,400℃を超えて溶けて固まるのに、その下のガラスはほとんど温まらないということが起こります。第5回で「温度を上げるのか、時間を延ばすのか」と問うたことに対し、ELAは温度を極端に上げ、時間を極端に縮めるという答えを出したわけです。

ナノ秒の時間表——溶けて固まるまで

一発のパルスの中で起こることを時間順に並べると、この工程の性格がより明確になります。

• 0〜数ns——吸収。紫外光が表面10nm以内で電子を励起し、そのエネルギーが格子へ移って温度が跳ね上がります。
• 数〜数十ns——溶融。表面から溶けはじめ、溶融フロントが下へ進みます。どこまで下がるかが、後に出てくるエネルギー密度の区間を分けます。
• 数十〜数百ns——凝固。パルスが終わると熱が下へ抜け、膜は下から上へ固まります。凝固フロントの速度は毎秒数メートルで、金属鋳造の凝固より六桁以上速い値です。

ここで重要な概念が過冷却です。これほど速く固まると、液体は融点よりずっと低い温度まで下がってからようやく固まりはじめます。過冷却が深いほど核があちこちで同時に生まれ、結晶粒が細かく割れます。逆に過冷却が浅ければ、すでにある種からゆっくり育って大きな結晶粒になります。後に出てくる四つの区間の違いは、結局種が何個生き残ったかと液体がどれだけ過冷却されたかの組み合わせです。

エネルギー密度が結晶粒を決める

ではレーザーを強く撃つほどよいのでしょうか。そうではありません。ELAで最も興味深いのがここです——エネルギー密度によって結晶化の様相がまったく変わります。

区間	溶融状態	結晶化の機構	結晶粒径	評価
① 低エネルギー	表層のみ溶融	爆発的結晶化	非常に微細	移動度が低い
② 部分溶融	上側のみ溶融、下は残存	残った種から縦方向へ成長	柱状、膜厚程度	安定だが平凡
③ ほぼ完全溶融	ごく少数の種のみ生存	超側方成長	膜厚より大きく、1μm超も可能	最適——ただし窓が狭い
④ 完全溶融	種が全滅	過冷却後の均質核生成	再び微細	移動度が急落

この4区間の区分は学術文献にもそのまま整理されています。エキシマレーザー結晶化は部分溶融領域、完全溶融しきい値を越える高エネルギー領域、そしてその間の遷移領域に分かれ、最も大きな結晶粒はこの遷移領域の超側方成長（super lateral growth）で得られます——溶けずに残ったシリコンの島を種として液相から横へ再成長する現象で、結晶粒が1μmを超えることがあります。

問題はこの区間がひどく狭いことです。文献は超側方成長領域のプロセスウィンドウをΔE/E ≈ 0.025、すなわちエネルギーの2.5%ほどと報告しています。第5回でRTAの管理項目は「時間よりピーク温度の正確さ」と述べましたが、ELAはそれよりはるかに過酷です。パルスごとにエネルギーが数%揺れれば、その揺れがそのまま結晶粒径のむらとなり、最終的に画面の輝度むら（ムラ）として現れます。レーザーのパルス間エネルギー安定度がそのまま画質だという言葉はここから出ています。

一度ではなく何度も——重ね照射

ELAはライン状のビームを少しずつ移動させ、同じ場所が複数発当たるように重ねて進めます。一発で終えれば結晶粒の大きさと向きがまちまちですが、同じ場所を再び溶かして固めると小さな結晶粒は消え、大きな結晶粒がさらに大きくなる方向へ再配列されます——二次結晶粒成長（secondary grain growth）です。結晶方位の有利な粒が隣を吸収しながら育つ現象です。

何発当てるかはオーバーラップ率が決めます。ビーム幅に対してスキャンピッチをどれだけ細かく取るかの問題で、関係は単純です——同じ場所が当たる回数は1/(1−オーバーラップ率)です。

オーバーラップ率	同一箇所の被弾回数	スキャンピッチ（ビーム幅400μm）	性格
50%	2発	200μm	速いが均一度が不足
80%	5発	80μm	—
90%	10発	40μm	—
95%	20発	20μm	一般的な運用領域
98%	50発	8μm	均一度は良いが処理量が急落

表が示すのは品質と処理量の正直な交換です。オーバーラップを95%から98%へ3ポイント上げると、同じ場所が当たる回数は20発から50発へ2.5倍になりますが、基板一枚を処理する時間もそのぶん延びます。ELA装置がラインでボトルネックと呼ばれる理由がこの表にあります。

ここで前回の話が回収されます。膜に水素が残っていると、この二次成長が妨げられます——水素が結晶粒界での原子の移動を妨げ、成長速度を落とすことが実験で報告されています。第4回の脱水素が膜の破裂防止だけでなく結晶品質そのものを左右する理由です。表面に自然酸化膜が薄くでも掛かると同じように成長が妨げられるという報告もあり、ELA直前の表面状態の管理が重要になります。

結晶化方式の分かれ道——ELAだけではない

非晶質を多結晶に変える方法はELAだけではありません。各方式が何を与え何を諦めるのかを見ると、ELAがなぜ量産の標準になったのかが明確になります。

方式	原理	温度・時間	結晶粒	限界
固相結晶化（SPC）	溶かさず長時間加熱して固体のまま再配列	600℃級 · 数時間〜数十時間	微細、欠陥が多い	ガラスの歪点に引っかかる。処理時間が非現実的
金属誘起結晶化（MIC・MILC）	金属を触媒として結晶化温度を下げる	500℃前後 · 数時間	細長い結晶	金属汚染が残留。素子のリーク電流が上昇
ELA	ナノ秒パルスで表層のみ溶かして固める	瞬間1,400℃以上 · 数十ns	0.3〜1μm級	エネルギー窓が狭く、ムラ管理が難しい
逐次側方凝固（SLS）	狭いスリットで分けて撃ち成長方向を強制	ELAと同じ帯域	数μm以上、方向が揃う	スキャン回数が多く処理量が低い

表の最初の二行がなぜレーザーへ行ったのかを説明します。固相結晶化はガラスがもたず、金属誘起は触媒が残ります。最後の行はより良い方式があるのになぜELAを使うのかを説明します——結晶粒をさらに大きくし方向まで揃える手法は存在しますが、そのぶんスキャンが増え、大面積量産の処理量に耐えられません。ELAは最高の結晶品質を与える方式ではなく、量産が担える品質の上限に置かれた方式です。

結晶粒界——多結晶の宿命

多結晶シリコンは結晶粒がモザイクのようにくっついた構造なので、その間に結晶粒界が生じます。この境界は原子配列がずれる地点なので空孔と切れた結合が集まっており、そこに電荷が捕らえられると電子が越えねばならない電位障壁ができます。舗装道路のところどころにある減速帯のようなものです。

なぜ結晶粒径がそれほど重要なのかは、簡単な算数で明らかになります。トランジスタのチャネルを電子が横切るときに出会う境界の数はチャネル長 ÷ 結晶粒径です。

結晶粒径	チャネル3μm	チャネル5μm	チャネル10μm
0.05μm	60個	100個	200個
0.1μm	30個	50個	100個
0.3μm	10個	17個	33個
1μm	3個	5個	10個
3μm	1個	2個	3個

表を上から下へ読むと、移動度がなぜ桁で跳ねるのかが見えます。境界が100個のときと3個のときでは、電子が受ける障壁の総和は比べものになりません。ところがより恐ろしいのは右下のマスです。境界が3個しかないということは、素子ごとにその3個がどこに置かれるかで特性が大きく変わるという意味でもあります。境界が100個なら平均でならされて素子間の差が小さくなりますが、3個ならサイコロを三回振るのと同じで、ばらつきが大きくなります。結晶粒を大きくするほど平均性能は良くなり均一度は悪くなるという逆説が、ここから生まれます。

残る境界はどうするのでしょうか。のちに水素化で境界の切れた結合を水素で埋めます——工程の序盤にあれほど抜こうと苦心した水素を、最後に再び入れてやるという皮肉がここで完成します。ただし入れ方が違います。最初に抜いたのは膜全体に散らばっていた水素であり、あとで入れるのは境界という特定の場所を狙った水素です。

よくある誤解

• 「レーザーを強く撃つほど結晶粒が大きくなる」——表の④区間が反例です。種が全滅すれば過冷却された液体があちこちで同時に固まり、かえって微細になります。最適点を行き過ぎると性能は落ちます。
• 「ガラスが溶けないから熱の問題はない」——ガラスは溶けませんが表層は温まり、その加熱がパルスごとに数十回繰り返されます。繰り返しの熱衝撃による基板の変形と応力は、第5回で見たとおり残っています。
• 「結晶粒が大きければ無条件に良い」——平均移動度には良く、素子間ばらつきには悪いのです。OLEDバックプレーンが結晶粒径より均一度を先に見る理由です。
• 「ELAは一度通過する工程」——オーバーラップ95%なら同じ場所が20回溶けて固まります。ある一点が経験するのは一度の結晶化ではなく二十回の再結晶化です。

現場は何を見張るのか

先ほどの数字を管理項目に変えるとこうなります。

• パルスエネルギーの安定度——プロセスウィンドウが2.5%しかないので、ショットごとのエネルギー偏差を常時監視します。レーザー媒質が劣化すると出力がじわじわ下がり、その変化が窓の外へ出た瞬間に結晶粒が丸ごと変わります。エネルギーメーターの値ではなく傾きを見るのがコツです。
• 結晶粒の状態の間接測定——毎回切って見ることはできないので非破壊の方法を使います。表面反射率や散乱光の変化が結晶粒径と相関を持つため、光学的な測定でライン上ですぐ判定します。
• ムラ検査——最終判定は結局、目に見えるむらです。スキャン方向に縞が出ればオーバーラップ・ピッチを、不規則な斑点が出ればパルスエネルギーを疑う——模様の形が原因を指し示します。
• 光学系の汚染——溶けたシリコンが飛んでレンズや窓に積もると透過率が落ち、実際に届くエネルギーが静かに減ります。設定値はそのままなのに結果だけ悪くなる典型的な罠なので、光学部品の洗浄周期がそのまま工程の安定性になります。

まとめ——そして次回

• ELAは表面だけをナノ秒のあいだ溶かしてガラスを温めずに結晶化する技術である。ガラスの熱拡散率がシリコンの100分の1であることがこれを可能にしている。
• 結晶粒径はエネルギー密度の関数であり、最適点（超側方成長）の窓は2.5%ほどと狭い。
• 複数発を重ねて当てて結晶粒を育てるが（オーバーラップ95%なら20発）、残った水素はその成長を妨げる。
• 結晶粒を大きくすれば平均性能は上がり均一度は悪くなる。残る境界はのちに水素化でなだめる。

次回（第7回）はこのレーザーを実際につくり出す装置に入ります——なぜよりによって308nmなのか、ばらついたビームをどうやって均一なラインビームに整えるのか、スキャンピッチと重なりがなぜムラとモアレをつくるのか、そしてチャンバーに流す気体になぜ酸素を混ぜるのかまで。

参考資料

• "Excimer laser crystallization techniques for polysilicon TFTs," Applied Surface Science 154-155, 449 (2000)：部分溶融・完全溶融・遷移領域の区分、超側方成長と1μm以上の結晶粒——本文のプロセスウィンドウ ΔE/E ≈ 0.025 の出典
• "Surface melt dynamics and super lateral growth regime in long pulse duration excimer laser crystallization of a-Si films," Thin Solid Films 337, 143 (1999)：パルス幅による表面溶融挙動と超側方成長領域
• "Phase-field modelling of excimer laser lateral crystallization of silicon thin films," Thin Solid Films 427, 309 (2003)：溶融・凝固フロントの移動と側方成長の数値モデル
• "Location Control of Super Lateral Growth Grains in Excimer Laser Crystallization," Jpn. J. Appl. Phys. 45, L970 (2006)：超側方成長粒の位置を制御しようとする試み
• "New theory of undercooling during rapid solidification: application to pulsed laser," Applied Physics A 88, 179 (2007)：本文「ナノ秒の時間表」の過冷却・凝固速度の根拠
• "Effect of Hydrogen on Secondary Grain Growth of Polycrystalline Silicon Films," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6908 (2006)：残留水素が二次結晶粒成長を妨げるという実験的根拠——第4回の脱水素との接続点
• "The grain growth blocking effect of polycrystalline silicon film by thin native oxide," Appl. Phys. Lett. 75, 460 (1999)：表面の自然酸化膜が結晶粒成長を妨げる現象
• T. Sameshima, S. Usui, M. Sekiya, "XeCl excimer laser annealing used in the fabrication of poly-Si TFT's," IEEE Electron Device Letters 7(5), 276 (1986)：エキシマレーザー結晶化で多結晶シリコンTFTをつくった最初の報告
• "Excimer-laser annealing for low-temperature poly-Si TFTs," J. Inf. Disp. 4(1) (2003)：ELA工程の概要とa-Si比のTFT特性——本文の移動度比較表の根拠
• Excimer laser — Wikipedia：エキシマレーザーの原理と波長
• Grain boundary — Wikipedia：結晶粒界の構造と電気的影響
• Thermal diffusivity — Wikipedia：本文の熱拡散長 √(D·t) 計算の根拠