JP2001007045A - レーザ熱処理用光学系およびレーザ熱処理装置 - Google Patents

レーザ熱処理用光学系およびレーザ熱処理装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ熱処理方法において、高性能の薄膜を
形成するためのレーザ光照射プロファイルを制御する光
学系を提供する。 【解決手段】 基板上に形成された基板上膜上に長方形
のビームを照射する光学系において、強度分布成形手段
３０により長手方向の強度分布を均一にし、短手方向の
ビームが発振レーザ光２の指向性等の性質を保存する構
成にすることにより、発振レーザ光２の性質で制限され
る限界まで集光でき、基板上膜で最大限の強度勾配が得
られる。これにより、基板上膜で急峻な温度分布を形成
することができ、その結果、高性能の薄膜を形成するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】例えば非晶質または多結晶珪
素膜を熱処理してポリシリコン化する等、基板上に形成
された薄膜を熱処理するためのレーザ熱処理装置、およ
びその光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、液晶パネルの画素部は、ガラスま
たは合成石英基板上の非晶質または多結晶珪素膜で作製
された薄膜トランジスタのスイッチングにより、画像を
構成している。このパネル上に画素トランジスタを駆動
するドライバ回路（主として外部に独立して設置してあ
る）を同時に構成することが可能となれば、液晶パネル
の製造コスト・信頼性等の面で飛躍的なメリットが生じ
ることになる。しかし現在は、トランジスタ能動層を構
成する珪素膜の結晶性が悪いため、移動度に代表される
薄膜トランジスタの性能が低く、高速性・高機能性が要
求される集積回路の作製は困難である。高移動度薄膜ト
ランジスタ実現を目的とする、珪素膜結晶性改善手法の
一つにレーザによる熱処理がある。
【０００３】珪素膜の結晶性と薄膜トランジスタの移動
度の関係は以下のように説明される。レーザ熱処理によ
り得られる珪素膜は一般に多結晶である。多結晶の結晶
粒界には結晶欠陥が局在しており、これが薄膜トランジ
スタ能動層のキャリア移動を阻害する。従って、薄膜ト
ランジスタの移動度を高くするには、キャリアが能動層
を移動中に結晶粒界を横切る回数を少なくし、かつ結晶
欠陥密度を小さくすれば良い。レーザ熱処理の目的は、
結晶粒径が大きくかつ結晶粒界における結晶欠陥が少な
い多結晶珪素膜の形成である。
【０００４】従来、レーザ熱処理を行うという試みが、
論文レベル（文献１（Appl. Phys.Lett. 39, 1981, p42
5-427）、文献２（Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.
4, 1982, p523-p528）及び文献３（Mat. Res. Soc. Sym
p. Proc., Vol.358, 1995, p915-p920））でなされてい
る。ここではレーザ光としてNd:YAGレーザの第２高調波
（波長：532nm）が使われている。図１２は従来のNd:YA
Gレーザ第２高調波によるレーザ熱処理用光学系を含む
レーザ熱処理装置の一例を示す図である。ここにおい
て、１は熱処理用レーザとして使われている代表的な可
視光パルスレーザ光源であるNd:YAGレーザ第２高調波
（波長：532nm）発振装置、２は発振レーザ光、４はビ
ームを集光するための集光用レンズ、５は基板上膜材料
としての非晶質または多結晶珪素膜、６は下地膜、７は
基板である。
【０００５】次に従来のレーザ熱処理手法について説明
する。Nd:YAGレーザ第２高調波発振装置１から出射され
たパルスレーザ光２が集光用レンズ４により集光されて
非晶質珪素膜５上に照射される。パルスレーザ光２の照
射により照射領域における非晶質珪素膜５が溶融され
る。しかし、これらの報告例では、照射位置でのビーム
プロファイルは軸対称ガウス分布である。従って、再結
晶時に結晶粒は中心対称的に放射状に成長し、図１３の
ようになる。すなわち、レーザ熱処理後の多結晶珪素膜
質の面内均一性が非常に悪く、薄膜トランジスタを作製
した報告例はない。
【０００６】一方、波長の短いエキシマレーザを用いて
線状ビームプロファイルによるレーザ熱処理が従来から
行われているが、これは波長330nm以上のレーザ光によ
る熱処理とは根本的に異なる概念によるものである。波
長330nm以上のレーザ光による熱処理は再結晶過程にお
いて膜の面内方向である横方向に関して再結晶成長が起
こるため大結晶粒径化を目的としているが、エキシマレ
ーザによる熱処理は膜の厚み方向である縦方向に関して
の成長であるため大粒径化を目的とはしていない。単
に、レーザ熱処理後の膜質の面内均一性及び生産性の向
上を目的としている。
【０００７】また、エキシマレーザにおいて、線状ビー
ムにする光学系としては、特開平１１−１６８５１号公
報や、特開平１０−３３３０７７号公報にあるように、
エキシマレーザ発振器からのビームを、ビームの光軸に
垂直な面内の直交する２方向共、シリンドリカルレンズ
を並べたシリンダアレイに通した後、収束レンズにより
収束させ、両方向共に分布を均一化する、いわゆるビー
ムホモジナイザにおいて、両方向の収束幅を異なるよう
にしたものが用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】レーザを光源とした熱
処理において長方形ビームを用いて熱処理を行う場合、
幅方向のプロファイルが再結晶成長過程に大きく影響
し、長手方向の分布が結晶を成長させる領域を左右する
ため、特性の優れた薄膜トランジスタを作製するには、
適当なプロファイルを選択しなければならない。しかし
ながら、従来の線状ビーム形成用の光学系では、幅方向
のプロファイルを適当に選択することができないという
課題があった。また、両方向共にホモジナイズされてい
るので、線状ビームの幅方向を極限まで細く集光するこ
とができなかった。
【０００９】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたもので、レーザ熱処理方法において高性能の
薄膜トランジスタを作製するのに必要な結晶性に優れた
薄膜を形成するといった、高性能の薄膜を得るためのレ
ーザ光照射プロファイルを制御する光学系を提供するこ
とを目的とする。
【００１０】また、レーザ熱処理方法において高性能の
薄膜トランジスタを作製するのに必要な結晶性に優れた
薄膜を形成するといった、高性能の薄膜を得るためのレ
ーザ熱処理装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１の
レーザ熱処理用光学系は、レーザ発振器から放射された
レーザビームの断面強度分布を成形する強度分布成形手
段と基板上膜材料上で長方形のビーム形状を形成するビ
ーム形状成形手段を備え、強度分布成形手段がレーザビ
ームの断面平面内の１方向についてレーザビームの強度
分布を均一にし、他方向についてはレーザ発振器から放
射されたレーザビームの強度分布を維持する構成とした
ものである。
【００１２】本発明に係る請求項２のレーザ熱処理用光
学系は、強度分布成形手段がレーザビームの断面平面内
の１方向について、レーザビームの一部を複数回反射さ
せた後、重ね合わせることにより強度分布を均一化する
ものである。
【００１３】本発明に係る請求項３のレーザ熱処理用光
学系は、強度分布成形手段がレーザビームの断面平面内
の１方向についての導波路構造を有することで強度分布
を均一化するものである。
【００１４】本発明に係る請求項４のレーザ熱処理用光
学系は、強度分布成形手段がレーザビームの断面平面内
の１方向についての分割されたシリンドリカルレンズに
よる強度分布を均一化するものである。
【００１５】本発明に係る請求項５のレーザ熱処理用光
学系は、ビーム形状成形手段が、レーザビームの断面平
面内の１方向について強度分布成形手段で得られた均一
分布を基板上膜材料上に転写し、基板上膜材料上で長方
形のビーム形状の長手方向を形成する構成としたもので
ある。
【００１６】本発明に係る請求項６のレーザ熱処理用光
学系は、ビーム形状成形手段が、レーザ発振器から放射
されたレーザビームをレーザビームの断面平面内の１方
向のみを基板上膜材料上に集光し、基板上膜材料上で長
方形のビーム形状の短手方向を形成する構成としたもの
である。
【００１７】本発明に係る請求項７のレーザ熱処理用光
学系は、ビーム成形手段を、複数のシリンドリカルレン
ズあるいは球面レンズの組合せで構成したものである。
【００１８】本発明に係る請求項８のレーザ熱処理用光
学系は、複数のシリンドリカルレンズあるいは球面レン
ズのいずれか、あるいは全てが非球面レンズとしたもの
である。
【００１９】本発明に係る請求項９のレーザ熱処理用光
学系は、ビーム成形手段において、上記基板上膜材料に
近接して、基板上膜材料上で長方形のビーム形状の長手
方向と平行にナイフエッジを挿入したものである。
【００２０】本発明に係る請求項１０のレーザ熱処理装
置は、レーザ発振器が、330ｎｍから800ｎｍの間の発振
波長を有するものである。
【００２１】本発明に係る請求項１１のレーザ熱処理装
置は、レーザ発振器を、固体レーザの高調波を発生する
発振器としたものである。
【００２２】本発明に係る請求項１２のレーザ熱処理用
光学系は、レーザビームを分割し分割したレーザビーム
に光路差を与え再び合成するパルス幅伸長手段を備えた
ものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、実施の形
態１のレーザ熱処理用光学系の構成図である。図におい
て、１はレーザ発振器、２は発振レーザ光、５は基板上
膜材料としての非晶質または多結晶珪素膜、６は下地
膜、７は基板、３０は強度分布成形手段、４０はビーム
形状成形手段である。また、Ａは強度分布成形手段３０
の入口面、Ｂは強度分布成形手段３０出口面、Ｃは基板
上膜材料５上面、PAはＡ面におけるビーム形状、XAはＡ
面におけるX方向ビーム強度分布、YAはＡ面におけるy方
向ビーム強度分布、PBはＢ面におけるビーム形状、XBは
Ｂ面におけるX方向ビーム強度分布、YBはＢ面におけるy
方向ビーム強度分布、PCはＣ面におけるビーム形状、XC
はＣ面におけるX方向ビーム強度分布、YCはＣ面におけ
るy方向ビーム強度分布である。
【００２４】次に動作について説明する。レーザ発振器
１から放出された発振レーザ光２は、強度分布成形手段
３０の入口面Ａで、例えば、Ａ面におけるビーム形状Ｐ
Ａが円形で、Ａ面におけるＸ方向の強度分布ＸＡおよび
Ａ面におけるＹ方向の強度分布ＹＡがほぼガウス状であ
るとする。強度分布成形手段３０では、例えば、Ｘ方向
の強度分布を保存し、Ｙ方向の強度分布のみを平滑化す
るため、強度分布成形手段３０の出口面Ｂでのレーザ光
のビーム形状ＰＢはほぼ長方形に変換され、Ｂ面におけ
るＸ方向の強度分布ＸＢはＡ面におけるＸ方向の強度分
布ＸＡが維持され、Ｂ面におけるＹ方向の強度分布ＹＢ
はほぼトップハット分布に成形される。このレーザ光
は、ビーム形状成形手段４０によってＸ方向、Ｙ方向の
倍率が調整され、長方形のビーム形状で基板上膜材料５
に照射され、レーザ熱処理が行われる。基板上膜材料上
面Ｃでビーム形状ＰＣは、短手方向をＸ、長手方向をＹ
方向になるようにすると、Ｃ面におけるＸ方向の強度分
布ＸＣはＡ面におけるＸ方向の強度分布ＸＡを縮小した
形状になり発振レーザ光２の指向性等の性質を保存して
おり、一方、Ｃ面におけるＹ方向の強度分布ＹＣはほぼ
均一な分布になる。
【００２５】ここで、レーザ照射対象であるターゲット
は、例えばガラス等の基板７上に下地膜６として例えば
厚さ200nm程度の酸化珪素膜をCVD（Chemical Vapor Dep
osition）により形成した上に、厚さ70nm程度の非晶質
珪素膜等をLPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Depos
ition）等により成膜したものである。基板７は移動ス
テージに固定されており、照射ビームの短手方向即ちＸ
方向に移動させながらレーザ照射を行う。
【００２６】基板上膜材料５にレーザ光が照射される
と、基板上膜材料５がレーザ光を吸収し加熱され、長方
形上に溶融される。このとき、照射ビームの長手方向即
ちＹ方向は、レーザ光２の強度分布が均一なため温度勾
配は生じず、Ｘ方向のみ温度勾配が生じる。溶融部が結
晶化するとき、結晶は温度勾配に従って成長するため、
基板７の移動方向即ちＸ方向への１次元成長になり、結
晶粒径は数μm程度と大きな結晶粒が形成される。ま
た、レーザ熱処理後に形成される多結晶珪素膜の結晶粒
は図２のように結晶成長の方向である照射ビーム短手方
向、すなわち移動ステージの移動方向に揃う。
【００２７】上記したＸ方向成長の過程は、基板上膜材
料５内においてＸ方向に形成された温度分布に大きく影
響される。すなわち、照射される長方形ビームの短手方
向の強度分布に大きく影響される。レーザ光照射により
基板上膜材料５内に導入された熱は、一様に基板へ散逸
していく。すなわち、基板上膜材料５内のＸ方向温度分
布は一様に低下していく。従って、先に温度が融点を下
回った部分から、後で温度が融点を下回る部分へ向かっ
て横方向に結晶成長していく。そしてこの結晶成長は、
温度が下がる過程で自然核発生により成長した微結晶に
より、その行く手を遮られてＸ方向結晶成長が止まる。
すなわち、自然核発生が起こるまでの時間にできるだけ
結晶粒が長く成長していれば良い訳であるが、そのため
には結晶成長速度が速いことが要求される。一般に、あ
る微小領域における結晶成長速度ｖはｖ＝ｋΔＴ/Δｘ
により表される。ここで、ｋは速度定数、ΔＴは微小領
域における温度差、Δｘは微小領域の幅である。すなわ
ち、珪素膜内のＸ方向に関して温度分布が存在する場
合、融点以上の温度である領域の温度分布が急峻な勾配
であれば、結晶成長速度が速く、その結果、結晶粒径の
大きい多結晶珪素膜の形成が可能となり、高性能の薄膜
トランジスタを作製するのに必要な結晶性に優れた薄膜
を形成することができる。
【００２８】本実施の形態に示した光学系では、照射ビ
ームの短手方向のビーム強度分布が発振レーザ光２の指
向性等の性質を保存していることにより、発振レーザ光
２の性質で制限される限界まで集光でき、基板上膜材料
５上で最大限の強度勾配が得るとともに、最大限の強度
勾配以下の任意の強度分布を得ることができ、基板上膜
材料５内にＸ方向温度分布のコントロールが可能にな
る。
【００２９】従って、本実施の形態に示した光学系によ
れば、レーザ熱処理方法において、高性能の薄膜を均一
に形成するためのレーザ光照射プロファイルが得られ
る。
【００３０】実施の形態２．図３は、実施の形態２のレ
ーザ熱処理用光学系の構成図である。図において、３１
は透光性の材料によるくさび型素子である。この実施の
形態２は、実施の形態１に示した強度分布成形手段の具
体的な構成を示す。
【００３１】次に動作について説明する。くさび型素子
３１は、Ｙ方向のみくさび形に成形されたブロックで、
レーザ発振器１から放出された発振レーザ光２のＹ方向
の周辺部の光を反射する構成になっている。従って、Ｙ
方向について発振レーザ光２は周辺部から反射され、く
さび形素子３１の出口では、周辺部の反射光と中央部の
光が重なり合い、ほぼ均一な強度分布を形成する。一
方、Ｘ方向は、発振レーザ光２のビーム幅よりもくさび
型素子３１の幅を広くすることにより、発振レーザ光２
の指向性等の性質を維持したまま出力される。
【００３２】以上の様な構成によれば、レーザ熱処理に
おいて、簡単な構成で、高性能の薄膜を均一に形成する
ためのレーザ光照射プロファイルが得られる。
【００３３】なお、本実施の形態２では、くさび形素子
３１をブロックで構成した例を示したが、鏡をくさび状
に対向させる中空構成でも同様の効果を奏する。
【００３４】実施の形態３．図４は、実施の形態３のレ
ーザ熱処理用光学系の構成図である。図において、３２
はレンズ、３３は導波路である。この実施の形態３は、
実施の形態１に示した強度分布成形手段の他の具体的な
構成を示す。
【００３５】次に動作について説明する。レーザ発振器
１から放出された発振レーザ光２は、レンズ３２によ
り、導波路３３に入射される。導波路３３は、Ｙ方向に
はぼ平行に成形されたブロックで、レンズ３２により発
散する発振レーザ光２のＹ方向の周辺部の光を反射する
構成になっている。従って、Ｙ方向について発振レーザ
光２は周辺部から反射され、導波路３３の出口では、周
辺部の反射光と中央部の光が重なり合い、ほぼ均一な強
度分布を形成する。一方、Ｘ方向は、発振レーザ光２の
ビーム幅よりも導波路３３の幅を広くすることにより、
発振レーザ光２の指向性等の性質を維持したまま出力さ
れる。
【００３６】以上の様な構成によれば、実施の形態２と
同様、簡単な構成で、高性能の薄膜を均一に形成するた
めのレーザ光照射プロファイルが得られる。
【００３７】なお、本実施の形態３では、導波路３３を
ブロックで構成した例を示したが、鏡を対向させる中空
構成でも同様の効果を奏する。
【００３８】また、本実施の形態３では、レンズ３２を
球面レンズとして示したが、Ｙ方向に収束あるいは発散
する円柱レンズであっても同様の効果を奏する。
【００３９】実施の形態４．図５は、実施の形態４のレ
ーザ熱処理用光学系の構成図である。図において、３４
は分割シリンドリカルレンズ（シリンドリカルレンズを
中央で分割し、離して配置したもの。）である。この実
施の形態４は、実施の形態１に示した強度分布成形手段
のさらに他の具体的な構成を示す。
【００４０】次に動作について説明する。レーザ発振器
１から放出された発振レーザ光２は、Ｙ方向に分割され
た分割シリンドリカルレンズ３４により、周辺部と中央
部の光束に分割される。分割された光束は、ビーム形状
成形手段４０の入り口面で周辺部と中央部の光が重なり
合い、ほぼ均一な強度分布を形成する。一方、Ｘ方向
は、発振レーザ光２のビーム幅よりも分割シリンドリカ
ルレンズ３４の幅を広くすることにより、発振レーザ光
２の指向性等の性質を維持したまま出力される。
【００４１】以上の様な構成によれば、レーザ熱処理方
法において、少ないレーザ光の損失で、高性能の薄膜を
均一に形成するためのレーザ光照射プロファイルが得ら
れる。
【００４２】実施の形態５．図６は、実施の形態５のレ
ーザ熱処理用光学系の構成図である。この実施の形態５
は、実施の形態１に示したビーム形状成形手段４０の具
体的な構成を示す。図において、４１は転写レンズであ
る。
【００４３】次に動作について説明する。レーザ発振器
１から放出された発振レーザ光２は、実施の形態２〜４
で示したような、強度分布成形手段３０で、レーザ光の
ビーム形状がほぼ長方形に変換され、Ｘ方向の強度分布
は発振レーザ光２の強度分布が維持され、Ｙ方向の強度
分布ＹＢはトップハット分布に成形される。長方形に成
形されたビームは、ビーム形状成形手段４０である転写
レンズ４１により、強度分布成形手段３０で得られた強
度分布を任意に縮小拡大して、基板上膜材料５上に照射
する。
【００４４】以上の様な構成によれば、Ｙ方向に均一強
度分布を形成できるとともに、Ｘ方向に強度分布の持っ
たレーザ光を非晶質または多結晶珪素膜である基板上膜
材料５上に照射できるので、レーザ熱処理方法におい
て、簡単な構成で、高性能の薄膜を均一に形成するため
のレーザ光照射プロファイルが得られる。
【００４５】なお、本実施の形態５では、転写レンズ４
１を単レンズとして示したが、複数のレンズによる組合
せレンズでも良い。
【００４６】実施の形態６．図７は、実施の形態６のレ
ーザ熱処理用光学系の構成図である。この実施の形態５
は、実施の形態１に示したビーム形状成形手段４０の他
の具体的な構成を示すもので、図において、４２は単一
方向のみ集光するする例えば円柱レンズなどで構成され
た集光レンズである。
【００４７】次に動作について説明する。レーザ発振器
１から放出された発振レーザ光２は、強度分布成形手段
３０で、レーザ光のビーム形状がほぼ長方形に変換さ
れ、Ｘ方向の強度分布は発振レーザ光２の強度分布が維
持され、Ｙ方向の強度分布はトップハット分布に成形さ
れる。長方形に成形されたビームは、ビーム形状成形手
段４０である集光レンズ４２により、強度分布成形手段
３０で得られた強度分布のＸ方向のみを集光して、基板
上膜材料５上に照射する。
【００４８】以上の様な構成によれば、Ｘ方向に発振レ
ーザ光２の指向性等の性質による限界まで集光できるた
め、レーザ光照射強度の勾配を急峻にでき、非晶質また
は多結晶珪素膜である基板上膜材料５上に照射できるの
で、レーザ熱処理方法において、簡単な構成で、高性能
の薄膜を均一に形成するためのレーザ光照射プロファイ
ルが得られる。
【００４９】なお、本実施の形態６では、集光レンズ４
２を単レンズとして示したが、複数のレンズによる組合
せレンズでも良い。
【００５０】実施の形態７．図８は、実施の形態７のレ
ーザ熱処理用光学系の構成図である。この実施の形態７
は、実施の形態５および実施の形態６を組み合わせたも
のである。
【００５１】動作について説明する。レーザ発振器１か
ら放出された発振レーザ光２は、強度分布成形手段３０
で、レーザ光のビーム形状がほぼ長方形に変換され、Ｘ
方向の強度分布は発振レーザ光２の強度分布が維持さ
れ、Ｙ方向の強度分布はトップハット分布に成形され
る。長方形に成形されたビームは、Ｘ方向に関して、ビ
ーム形状成形手段４０である集光レンズ４２により、強
度分布成形手段３０で得られた強度分布のＸ方向のみを
集光され、Ｙ方向に関してビーム形状成形手段４０であ
る転写レンズ４１により、強度分布成形手段３０で得ら
れた強度分布を任意に縮小拡大して、非晶質または多結
晶珪素膜５上に照射する。
【００５２】以上の様な構成によれば、Ｙ方向に均一強
度分布を形成できるとともに、Ｘ方向には発振レーザ光
２の指向性等の性質による限界まで集光できるため、レ
ーザ光照射強度の勾配を急峻にでき、非晶質または多結
晶珪素膜である基板上膜材料５上に照射できるので、レ
ーザ熱処理方法において、高性能の薄膜を均一に形成す
るための線状のレーザ光照射プロファイルが確実に得ら
れる。
【００５３】なお、本実施の形態７では、転写レンズ４
１および集光レンズ４２をそれぞれ別の単レンズとして
示したが、複数のレンズによる組合せレンズでも良い。
また、１部のレンズが、転写レンズと集光レンズを兼ね
ても良い。
【００５４】実施の形態８．図９(a)、(b)は、実施の形
態７において集光レンズ４２をそれぞれ球面（円筒面）
レンズ、非球面レンズにした場合の基板上膜材料５上の
X方向の強度分布の計算例である。ここでは、シリンド
リカルレンズである集光レンズ４２のシリンドリカル面
すなわち円筒面になっている面を円筒面からずれた面に
しており、このシリンドリカルレンズのことを、一般的
に、非球面レンズのシリンドリカルレンズと呼んでい
る。
【００５５】例えば、集光レンズ４２の焦点距離を１０
０mm、集光レンズ４２に入射されるビームのX方向の幅
を４０mmとする。集光レンズ４２が球面レンズの場合、
図９(a)に示したように基板上膜材料５上で半値全幅約
３０μｍ程度まで集光できるが周辺部までビームが広が
ってしまう。一方、集光レンズ４２が非球面レンズの場
合、図９(b)に示したように基板上膜材料５上で半値全
幅約２５μｍ程度まで集光できるとともに周辺部への広
がりも抑制できる。そのため、強度分布の勾配を球面レ
ンズに比べ大きくすることができる。
【００５６】以上の様な構成によれば、レーザ光照射強
度の勾配をさらに急峻にでき、レーザ熱処理方法におい
て、簡単な構成により、さらに高性能の薄膜を形成する
ためのレーザ光照射プロファイルが得られる。
【００５７】なお、本実施例では、集光レンズ４２のみ
を非球面レンズにした場合について述べたが、他のレン
ズを非球面レンズにした場合でも同様の効果を奏する。
【００５８】実施の形態９．図１０は、実施の形態９の
レーザ熱処理用光学系の構成図である。図において、５
０はナイフエッジである。
【００５９】この実施の形態９は、実施の形態１におい
て、基板上膜材料５の近傍にナイフエッジ５０を配置し
たものである。このナイフエッジ５０により、基板上膜
材料５に照射されるＸ方向のビームを一部遮断すること
により、無限大の強度勾配を有するレーザ光を基板上膜
材料５に照射することができる。
【００６０】以上の様な構成によれば、レーザ光照射強
度の勾配を極限まで急峻化でき、レーザ熱処理方法にお
いて、高性能の薄膜を形成するためのレーザ光照射プロ
ファイルが確実に得られる。
【００６１】実施の形態１０．本発明におけるレーザ発
振器は330nmから800nmの間に発振波長を有するレーザが
より効果的である。すなわち、非晶質または多結晶珪素
膜である基板上膜材料５に330nmから800nmの間に発振波
長を有するレーザを照射すると、非晶質珪素に対する吸
収係数が比較的小さく、膜厚方向にレーザ光が浸透する
ため、膜厚方向に対してはほぼ均一に加熱され、レーザ
照射によって発生する珪素膜内の横方向温度分布は、Ｘ
方向にのみ形成される。従って、非晶質または多結晶珪
素膜である基板上膜材料５の、ある強度以上のビームの
部分が、深さ方向全体に溶融する。
【００６２】以上の様な構成によれば、非晶質または多
結晶珪素膜の厚さ方向を均一に加熱でき、レーザ熱処理
方法において高性能の薄膜が得られる。
【００６３】330nmから800nmの間に発振波長を有するレ
ーザとして、例えば固体レーザ高調波発生源が好まし
い。すなわち、Nd:YAGレーザの第２高調波（532nm）や
第３高調波（355nm）、Nd:YLFレーザの第２高調波（524
nm）や第３高調波（349nm）、あるいはYb:YAGレーザの
第２高調波（515nm）や第３高調波（344nm）等を用い
る。Ti：Sapphireレーザの基本波または第２高調波を用
いてもよい。
【００６４】固体レーザ高調波発生源を用いることで、
330nmから800nmの間に発振波長のレーザ光をコンパクト
な装置で効率よく得られると共に、長時間安定した動作
が可能になる。
【００６５】以上の様な構成によれば、レーザ発振器１
をコンパクトにできるとともに、非晶質または多結晶珪
素膜の厚さ方向を均一に加熱でき、レーザ熱処理方法に
おいて高性能の薄膜トランジスタを作製するのに必要な
結晶性に優れた薄膜が安定に得られる。
【００６６】実施の形態１１．図１１は、実施の形態１
１のレーザ熱処理用光学系の構成図である。図におい
て、６０はパルス幅伸長手段、６１はビームスプリッ
タ、６２は第１の全反射鏡、６３は第２の全反射鏡、６
４は第３の全反射鏡、６５は第４の全反射鏡である。
【００６７】次に動作について説明する。パルス幅伸張
手段６０は、１枚のビームスプリッターと３枚以上の全
反射鏡で構成される。発振レーザ光２は、ビームスプリ
ッタ６１で２つに分離され、ビームスプリッタ６１で反
射したレーザ光は、第１の全反射鏡６２、第２の全反射
鏡６３、第３の全反射鏡６４、第４の全反射鏡６５で順
に反射され、遅延された後、再びビームスプリッタ６１
に入射され、ビームスプリッタ６１を透過したレーザ光
と合成されることにより、強度分布成形手段３０に入射
される。遅延したレーザ光を重ね合わせることにより、
レーザ光のパルス幅を伸張でき、非晶質または多結晶珪
素膜である基板上膜材料５へのレーザ照射時間を調整で
きるので、溶融した非晶質または多結晶珪素膜５の結晶
成長時間を調整でき、粒径の大きな結晶が得られる。
【００６８】以上の様な構成によれば、レーザ光のパル
ス幅を適当に設定できるため、結晶成長時間を調整で
き、レーザ熱処理方法において、種々の薄膜において、
高性能の薄膜が得られる。
【００６９】なお、以上の実施の形態１〜１１の説明で
は、基板上膜材料としては非晶質または多結晶珪素膜の
場合を例にとって説明したが、非晶質ゲルマニウム膜を
熱処理して高性能化する、絶縁膜としてのシリコン酸化
膜を熱処理して高性能化する、光透過性の導電膜である
ＩＴＯ膜を熱処理して高性能化するといった用途にも適
用できる。すなわち、基板上膜材料がレーザ光を吸収す
る種々の薄膜を高性能化するための熱処理に適用できる
のは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る請求
項１のレーザ熱処理用光学系は、レーザ発振器から放射
されたレーザビームの断面強度分布を成形する強度分布
成形手段と基板上膜材料上で長方形のビーム形状を形成
するビーム形状成形手段を備え、強度分布成形手段がレ
ーザビームの断面平面内の１方向についてレーザビーム
の強度分布を均一にし、他方向についてはレーザ発振器
から放射されたレーザビームの強度分布を維持する構成
としたもので、基板上膜材料内に温度分布のコントロー
ルが可能になるため、高性能の薄膜を形成するためのレ
ーザ光照射プロファイルが得られる効果がある。
【００７１】また、本発明に係る請求項２のレーザ熱処
理用光学系は、強度分布成形手段がレーザビームの断面
平面内の１方向について、レーザビームの一部を複数回
反射させた後、重ね合わせることにり強度分布を均一化
するものであるので、簡単な構成で高性能の薄膜を形成
するためのレーザ光照射プロファイルが得られる効果が
ある。
【００７２】また、本発明に係る請求項３のレーザ熱処
理用光学系は、記強度分布成形手段がレーザビームの断
面平面内の１方向についての導波路構造を有することで
強度分布を均一化するものであるので、同様に簡単な構
成で高性能の薄膜を形成するためのレーザ光照射プロフ
ァイルが得られる効果がある。。
【００７３】また、本発明に係る請求項４のレーザ熱処
理用光学系は、強度分布成形手段がレーザビームの断面
平面内の１方向についての分割されたシリンドリカルレ
ンズによる強度分布を均一化するものであるので、少な
いレーザ光の損失で高性能の薄膜を形成するためのレー
ザ光照射プロファイルが得られる効果がある。
【００７４】また、本発明に係る請求項５のレーザ熱処
理用光学系は、ビーム形状成形手段が、レーザビームの
断面平面内の１方向について強度分布成形手段で得られ
た均一分布を基板上膜材料上に転写し、基板上膜材料上
で長方形のビーム形状の長手方向の強度分布を均一にす
る構成としたものであるので、簡単な構成で確実に高性
能の薄膜を形成するためのレーザ光照射プロファイルが
得られる効果がある。
【００７５】また、本発明に係る請求項６のレーザ熱処
理用光学系は、ビーム形状成形手段が、レーザ発振器か
ら放射されたレーザビームをレーザビームの断面平面内
の１方向のみを基板上膜材料上に集光し、基板上膜材料
上で長方形のビーム形状の短手方向のレーザ光照射強度
の勾配を急峻に形成でき、簡単な構成で確実に高性能の
薄膜を形成するためのレーザ光照射プロファイルが得ら
れる効果がある。
【００７６】また、本発明に係る請求項７のレーザ熱処
理用光学系は、ビーム成形手段を、複数のシリンドリカ
ルレンズあるいは球面レンズの組合せで構成したもので
あるので、基板上膜材料上で長方形のビーム形状の長手
方向の強度分布を均一に、かつ短手方向のレーザ光照射
強度の勾配を急峻に形成することができるとともに、任
意の形状のレーザ光を照射できるので、簡単な構成で高
性能の薄膜を形成するためのレーザ光照射プロファイル
が確実に得られる効果がある。
【００７７】また、本発明に係る請求項８のレーザ熱処
理用光学系は、複数のシリンドリカルレンズあるいは球
面レンズのいずれか、あるいは全てが非球面レンズとし
たものであるので、基板上膜材料上で長方形のビーム形
状の短手方向の強度分布を発振レーザ光の指向性等の性
質で規定される限界まで強度分布の勾配を急峻にでき、
さらに高性能の薄膜を形成するためのレーザ光照射プロ
ファイルが得られる効果がある。
【００７８】また、本発明に係る請求項９のレーザ熱処
理用光学系は、ビーム成形手段において、上記基板上膜
材料に近接して、基板上膜材料上で長方形のビーム形状
の長手方向と平行にナイフエッジを挿入したものである
ので、レーザ光照射強度の勾配を極限まで急峻化でき、
高性能の薄膜を形成するためのレーザ光照射プロファイ
ルが確実に得られる効果がある。
【００７９】また、本発明に係る請求項１０のレーザ熱
処理装置は、レーザ発振器が、330ｎｍから８００ｎｍ
の間の発振波長を有するものであるので、基板上膜材料
の厚さ方向を均一に加熱でき、確実に高性能の薄膜が得
られる効果がある。
【００８０】また、本発明に係る請求項１１のレーザ熱
処理装置は、レーザ発振器が、固体レーザの高調波であ
るので、レーザ発振器をコンパクトにできるとともに、
基板上膜材料の厚さ方向を均一に加熱でき、高性能の薄
膜を安定して得られる効果がある。
【００８１】また、本発明に係る請求項１２のレーザ熱
処理用光学系は、レーザビームを分割し分割したレーザ
ビームに光路差を与え再び合成するパルス幅伸長手段を
備えたものであるので、設定できるレーザ光のパルス幅
の範囲を広くでき、結晶成長時間を調整できるので、種
々の薄膜において、高性能の薄膜を形成するためのレー
ザ光照射プロファイルが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図２】この発明のレーザ熱処理方法により形成された
多結晶珪素膜を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図７】この発明の実施の形態６を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態７を示すレーザ熱処理用
光学系の構成図である。
【図９】この発明の実施の形態８における非結晶または
多結晶珪素膜上のレーザ光強度分布を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態９を示すレーザ熱処理
用光学系の構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態１２を示すレーザ熱処
理用光学系の構成図である。
【図１２】従来のレーザ熱処理用光学系を含むレーザ熱
処理装置を示す構成図である。
【図１３】従来の軸対称ガウス型プロファイルのレーザ
による熱処理で形成された結晶粒を示す模式図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器 ２ レーザビーム ５ 基板上膜材料 ７ 基板 ３０ 強度分布成形手段 ３３ 導波路 ３４ 分割シリンドリカルレンズ ４０ ビーム形状成形手段 ４１ 転写レンズ ４２ 集光レンズ ５０ ナイフエッジ ６０ パルス幅伸長手段
フロントページの続き (72)発明者 古田 啓介 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 時岡 秀忠 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 笹川 智広 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 西前 順一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 井上 満夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 佐藤 行雄 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 AH00 CB09 CD03 CD05 CD10 CD14 CK01 5F052 AA02 BA07 BB02 BB07 CA04 CA07 DA02 DB02 EA11 JA01

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成された基板上膜材料をレー
    ザ照射により熱処理するためのレーザ熱処理用光学系に
    おいて、レーザ発振器から放射されたレーザビームの断
    面強度分布を成形する強度分布成形手段と、上記基板上
    膜材料上で長方形のビーム形状を形成するビーム形状成
    形手段を備え、上記レーザビームの光軸に垂直な断面内
    の一方向をＹ方向とし、上記断面内でこのＹ方向と直交
    する方向をＸ方向として、上記強度分布成形手段が、上
    記Ｙ方向について上記レーザビームの強度分布を均一に
    し、上記Ｘ方向については上記レーザ発振器から放射さ
    れた上記レーザビームの強度分布を維持することを特徴
    とするレーザ熱処理用光学系。
  2. 【請求項２】 上記強度分布成形手段が上記Ｙ方向につ
    いて、上記レーザビームの一部を複数回反射させた後、
    重ね合わせるよう構成されたことを特徴とする請求項１
    に記載のレーザ熱処理用光学系。
  3. 【請求項３】 上記強度分布成形手段が上記Ｙ方向につ
    いての導波路構造を有する素子であることを特徴とする
    請求項２に記載のレーザ熱処理用光学系。
  4. 【請求項４】 上記強度分布成形手段が上記Ｙ方向につ
    いて分割された分割シリンドリカルレンズによることを
    特徴とする請求項１に記載のレーザ熱処理用光学系。
  5. 【請求項５】 上記ビーム形状成形手段が、上記Ｙ方向
    について、上記強度分布成形手段で得られた均一分布を
    上記基板上膜材料上に転写レンズにより転写し、上記基
    板上膜材料上で長方形のビーム形状の長手方向を形成す
    ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレ
    ーザ熱処理用光学系。
  6. 【請求項６】 上記ビーム形状成形手段が、上記Ｘ方向
    のみを集光レンズで上記基板上膜材料上に集光すること
    を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ熱
    処理用光学系。
  7. 【請求項７】 上記ビーム成形手段が、複数のシリンド
    リカルレンズあるいは球面レンズの組合せであることを
    特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ熱処
    理用光学系。
  8. 【請求項８】 上記複数のシリンドリカルレンズあるい
    は球面レンズのいずれか、あるいは全てが非球面レンズ
    であることを特徴とする請求項７記載のレーザ熱処理用
    光学系。
  9. 【請求項９】 上記基板上膜材料に照射されるビームの
    上記Ｘ方向を遮るように、上記基板上膜材料に近接して
    ナイフエッジを挿入することを特徴とする請求項１〜８
    のいずれかに記載のレーザ熱処理用光学系。
  10. 【請求項１０】 上記レーザ発振器が、３３０ｎｍから
    ８００ｎｍの間の発振波長を有するパルスレーザ発振器
    であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載
    のレーザ熱処理用光学系を備えたレーザ熱処理装置。
  11. 【請求項１１】 上記レーザ発振器が、固体レーザの高
    調波を発生する発振器であることを特徴とする請求項１
    ０に記載のレーザ熱処理装置。
  12. 【請求項１２】 基板上に形成された基板上膜材料をレ
    ーザ照射により熱処理するためのレーザ熱処理用光学系
    において、パルスレーザ発振器からのレーザビームを２
    方向に分割し、分割したレーザビームに光路差を与え再
    び合成するパルス幅伸長手段を備えたことを特徴とする
    レーザ熱処理用光学系。
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