JP2002139697A - Laser optical system using plural laser beams, and laser annealing apparatus - Google Patents

Laser optical system using plural laser beams, and laser annealing apparatus

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JP2002139697A
JP2002139697A JP2000335732A JP2000335732A JP2002139697A JP 2002139697 A JP2002139697 A JP 2002139697A JP 2000335732 A JP2000335732 A JP 2000335732A JP 2000335732 A JP2000335732 A JP 2000335732A JP 2002139697 A JP2002139697 A JP 2002139697A
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laser
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intensity distribution
irradiation
laser beam
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Tatsuki Okamoto
達樹 岡本
Tetsuya Ogawa
哲也 小川
Yukio Sato
行雄 佐藤
Junichi Nishimae
順一 西前
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical system for controlling a laser beam irradiation profile for forming a thin film having superior crystallinity necessary for manufacturing of a high-performance thin-film transistor, in a laser heat treatment method. SOLUTION: The optical system for forming a liner beam shape on an amorphous or polycrystalline silicon film by forming the sectional intensity distribution of laser beams radiated from laser oscillators is so constituted, that the plural laser beams radiated from the plural laser oscillators are made uniform in the intensity distribution of a major axis direction by a beam intensity distribution forming means, and the top of the amorphous or polycrystalline silicon film formed on a substrate is irradiated with the linear beam shape. Irradiated area can be increased and productivity improved, in a state of maintaining the necessary irradiation intensity. The apparatus constitution is simplified, and the number of optical parts reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】高移動度の薄膜トランジスタ
を実現するために、結晶性に優れた多結晶の半導体膜を
形成するレーザ熱処理装置、およびその光学系に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser heat treatment apparatus for forming a polycrystalline semiconductor film having excellent crystallinity in order to realize a high mobility thin film transistor, and an optical system thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】液晶パネルの画素部は、ガラスや石英の
基板上に形成した多結晶のケイ素膜を利用して、多結晶
のケイ素膜に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。このような多結晶のケイ
素膜は、通常は、先に基板上に非晶質のケイ素膜を形成
し、これを加熱処理することにより多結晶化して、多結
晶のケイ素膜を基板として多数の画素トランジスタ回路
を形成している。
2. Description of the Related Art A pixel portion of a liquid crystal panel uses a polycrystalline silicon film formed on a glass or quartz substrate to form an image by switching thin film transistors formed on the polycrystalline silicon film. I have. Such a polycrystalline silicon film is usually formed by first forming an amorphous silicon film on a substrate, heating the polycrystalline silicon film to form a polycrystalline silicon film, and using the polycrystalline silicon film as a substrate. A pixel transistor circuit is formed.

【0003】しかしながら、トランジスタ能動層を構成
するケイ素膜の結晶性が悪いので、薄膜トランジスタ
は、移動度に代表されるように性能が低く、高速性と高
機能性が要求される集積回路の製造は困難であった。そ
こで、高移動度の薄膜トランジスタを実現するために、
ケイ素膜結晶性を改善する方法として、基板上に形成し
たケイ素膜にレーザを照射して、その結晶性を高めるレ
ーザ熱処理が行われている。
However, since the crystallinity of the silicon film constituting the active layer of the transistor is poor, the performance of the thin film transistor is low, as represented by the mobility, and the production of an integrated circuit that requires high speed and high functionality is required. It was difficult. Therefore, in order to realize a high mobility thin film transistor,
As a method for improving the crystallinity of a silicon film, a laser heat treatment for increasing the crystallinity by irradiating a laser to a silicon film formed on a substrate has been performed.

【0004】ケイ素膜の結晶性と薄膜トランジスタの移
動度には以下のような関係がある。レーザ熱処理により
得られるケイ素膜は一般に多結晶であるが、多結晶の結
晶粒界は格子欠陥により構成され、これら欠陥が薄膜ト
ランジスタ能動層のキャリアを散乱させ、移動を阻害す
る。そこで、薄膜トランジスタの移動度を高くするに
は、キャリアの能動層を移動中に結晶粒界を横切る頻度
を少なくすることが重要となり、このため格子欠陥密度
を小さくする必要がある。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格子欠陥が少ない多
結晶のケイ素膜の形成することである。
The following relationship exists between the crystallinity of a silicon film and the mobility of a thin film transistor. The silicon film obtained by the laser heat treatment is generally polycrystalline, but the crystal grain boundaries of the polycrystal are constituted by lattice defects, and these defects scatter carriers in the thin film transistor active layer and hinder movement. Therefore, in order to increase the mobility of the thin film transistor, it is important to reduce the frequency of crossing the crystal grain boundary while moving the active layer of the carrier, and thus it is necessary to reduce the lattice defect density. The purpose of laser heat treatment is to form a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size and having few lattice defects at crystal grain boundaries.

【0005】従来のレーザ熱処理には、例えば、波長の
短いエキシマレーザを用いて、レーザビームを矩形状の
分布にして半導体膜に照射加熱する技術が知られてい
る。例えば、特開平11−016851号や同10−3
33077号公報には、発振器からのレーザビームを、
光軸に垂直な面内で互いに交叉するシリンダアレイに通
して、その前方に収束レンズを通して、半導体膜表面に
収束させるものであった。この方法は、ガウス分布を採
るレーザビームを、2つのシリンダアレイにより、直交
する2方向で均一な強度分布にするものであり、半導体
膜表面での照射レーザビームは、半導体表面上で、直交
する2方向で異なった幅となっており、照射レーザビー
ムを2方向のいずれかの方向に掃引移動することによ
り、半導体膜上に一定幅の多結晶帯の成形するものであ
った。
As a conventional laser heat treatment, for example, a technique is known in which an excimer laser having a short wavelength is used to irradiate and heat a semiconductor film in a rectangular distribution with a laser beam. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
No. 33077 discloses that a laser beam from an oscillator is
The laser beam passes through cylinder arrays that cross each other in a plane perpendicular to the optical axis, passes through a converging lens in front of the cylinder array, and converges on the surface of the semiconductor film. According to this method, a laser beam having a Gaussian distribution is made to have a uniform intensity distribution in two orthogonal directions by two cylinder arrays, and an irradiation laser beam on a semiconductor film surface is orthogonal on the semiconductor surface. The width is different in two directions, and the irradiation laser beam is swept in one of the two directions to form a polycrystalline band having a constant width on the semiconductor film.

【0006】[0006]

【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の照射レーザビームを用いて掃引し
て熱処理を行う場合、掃引方向のプロファイルが再結晶
成長過程に大きく影響し、これに直交する方向の分布が
結晶を成長させる領域を左右するため、特性の優れた薄
膜トランジスタを製造するには、適当なプロファイルお
よび照射強度を選択しなければならない。しかしなが
ら、従来の長方形状ビーム形成用の光学系では、十分な
狭幅とすることができなかった。
When performing heat treatment by sweeping using a rectangular irradiation laser beam in heat treatment using a laser as a light source, the profile in the sweep direction greatly affects the recrystallization growth process and is orthogonal to the profile. Since the distribution of the direction affects the region where the crystal grows, an appropriate profile and irradiation intensity must be selected in order to manufacture a thin film transistor having excellent characteristics. However, the conventional optical system for forming a rectangular beam cannot have a sufficiently narrow width.

【0007】さらに、従来の液晶パネルでは、これら画
素トランジスタを駆動するドライバ回路を、外部に独立
して配置してあるが、ドライバ回路を、画素トランジス
タに近接して同時に構成することが期待されている、結
晶性を高めることにより、可能となれば、液晶パネルの
製造コストと信頼性などの面で飛躍的なメリットが生じ
ることになる。
Further, in the conventional liquid crystal panel, a driver circuit for driving these pixel transistors is independently provided outside. However, it is expected that the driver circuits are simultaneously formed close to the pixel transistors. If possible by increasing the crystallinity, there will be significant advantages in terms of the manufacturing cost and reliability of the liquid crystal panel.

【0008】発明者は、特願平11−179233号に
おいて、線状照射レーザビームを成形するための光学系
を提案している。図5は、この光学系の模式図を示す
が、レーザ発振器1から放出されたレーザビーム2は、
強度分布成形手段30とビーム形状成形手段40とを通
過して、基板50上のケイ素膜5に照射される。
The inventor has proposed an optical system for forming a linear irradiation laser beam in Japanese Patent Application No. 11-179233. FIG. 5 shows a schematic diagram of this optical system. The laser beam 2 emitted from the laser oscillator 1 is
The light passes through the intensity distribution shaping means 30 and the beam shape shaping means 40 and is irradiated onto the silicon film 5 on the substrate 50.

【0009】この光学系では、レーザ発振器1から放出
されたレーザビーム2は、強度分布成形手段30の入口
面Aで、例えば、図6(C)に示すように、A面におけ
るビーム形状PA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。強度分布成形手段30は、例えば、
x方向の強度分布をガウス分布のまま保存し、y方向の
強度分布のみを平滑化する。このため、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4
0によってx方向とy方向との倍率が調整され、長方形
のビーム形状でケイ素膜5に照射して加熱される。しか
しながら、このような単一のレーザビームでは、発振器
の能力から、レーザ出力に限界があり、必要な照射強度
を得るために照射光の長手方向の長さを短くする必要が
あり、生産性が低いという難点を残していた。
In this optical system, a laser beam 2 emitted from a laser oscillator 1 has an incident surface A of an intensity distribution shaping means 30, for example, as shown in FIG. The intensity distribution XA in the x direction in the A plane and the intensity distribution YA in the y direction in the A plane are substantially Gaussian. The intensity distribution shaping means 30 includes, for example,
The intensity distribution in the x direction is stored as a Gaussian distribution, and only the intensity distribution in the y direction is smoothed. For this reason, the beam shape PB of the laser beam on the exit surface B of the intensity distribution shaping means 30 is converted into a substantially rectangular shape, and the intensity distribution XB in the x direction on the B surface is obtained.
The intensity distribution XA in the x direction on the surface A is maintained, and the intensity distribution YB in the y direction on the surface B is shaped almost like a top hat distribution. This laser beam is applied to
The magnification in the x direction and the y direction is adjusted by 0, and the silicon film 5 is irradiated with a rectangular beam shape and heated. However, with such a single laser beam, the laser output is limited due to the capability of the oscillator, and it is necessary to reduce the length of the irradiation light in the longitudinal direction in order to obtain a necessary irradiation intensity. Had the drawback of being low.

【0010】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、一般に基板上に形成した半導体膜を
レーザ熱処理により結晶化の速度が高くかつ、多結晶中
の格子欠陥の少ない多結晶半導体膜、特に、ケイ素膜を
製造するためのレーザ光学系とこれを用いた生産性の高
いレーザアニーリング装置を提供するものである。
The present invention has been made to solve such a problem. Generally, a semiconductor film formed on a substrate has a high crystallization speed by laser heat treatment and has a small number of lattice defects in the polycrystal. An object of the present invention is to provide a laser optical system for producing a crystalline semiconductor film, particularly a silicon film, and a highly productive laser annealing apparatus using the same.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光学系
は、レーザ発振器から放射されたレーザビームを、基板
上に形成された非晶質若しくは多結晶の半導体膜表面に
照射させる強度分布成形手段を含むレーザアニーリング
用レーザ光学系であるが、上記の強度分布成形手段は、
複数のレーザ発振器からの複数のレーザビームが入射さ
れて、半導体膜表面に照射される各照射レーザビームの
強度分布をレーザビームの光軸に垂直な断面内の一方向
については均一にし且つ該断面内の該一方向の直交方向
には急峻な狭幅にして、該照射レーザビームにより上記
の半導体膜を溶融し多結晶化する。
A laser optical system according to the present invention comprises an intensity distribution shaping means for irradiating a laser beam emitted from a laser oscillator onto a surface of an amorphous or polycrystalline semiconductor film formed on a substrate. Although the laser optical system for laser annealing including, the intensity distribution shaping means,
A plurality of laser beams from a plurality of laser oscillators are incident, and the intensity distribution of each irradiation laser beam applied to the semiconductor film surface is made uniform in one direction in a cross section perpendicular to the optical axis of the laser beam, and the cross section is made uniform. The width of the semiconductor film is sharply narrowed in the direction orthogonal to the one direction, and the semiconductor film is melted and polycrystallized by the irradiation laser beam.

【0012】強度分布成形手段には、複数のレーザ発振
器から入射した複数のレーザビームを上記一方向につい
て交互に反射する1対の対向した反射面を有する単一の
導波路を使用することができる。導波路は、照射ビーム
の長手方向の強度分布を均一にするもので、半導体膜上
の照射レーザビームは、複数のレーザビームの合成光と
なって強度分布を大きくできるので、照射レーザビーム
の走査速度を高めることができる。
As the intensity distribution shaping means, a single waveguide having a pair of opposed reflecting surfaces that alternately reflect a plurality of laser beams incident from a plurality of laser oscillators in the one direction can be used. . The waveguide makes the intensity distribution in the longitudinal direction of the irradiation beam uniform, and the irradiation laser beam on the semiconductor film becomes a combined light of a plurality of laser beams, so that the intensity distribution can be increased. Speed can be increased.

【0013】また、強度分布成形手段が、複数のレーザ
発振器からの各レーザビームに対応して上記一方向につ
いて反射する1対の対向した反射面を有する複数の導波
路も利用できる。このような複数の導波路によって半導
体被膜上に成形された照射レーザビームは、上記一方向
に、即ち、照射レーザビームの長手方向に、ほぼ一直線
に配列するのが好ましい。このような複数の導波路を使
用して、それぞれのレーザビームを狭幅の線状のの照射
レーザビームを配列するので、各照射レーザビームの照
射強度を低下することなく長手方向に延長することがで
き、複数の照射レーザビームを一体にして直交方向に掃
引すれば、1回の走査パスの照射領域を広幅に拡大する
ことができる。
Further, a plurality of waveguides having a pair of opposed reflecting surfaces which reflect in the above-mentioned one direction corresponding to each laser beam from the plurality of laser oscillators can be used as the intensity distribution shaping means. It is preferable that the irradiation laser beam formed on the semiconductor film by such a plurality of waveguides be arranged substantially linearly in the one direction, that is, in the longitudinal direction of the irradiation laser beam. Using such a plurality of waveguides, each laser beam is arranged in a narrow linear irradiation laser beam, so that it is possible to extend in the longitudinal direction without reducing the irradiation intensity of each irradiation laser beam. When a plurality of irradiation laser beams are integrated and swept in the orthogonal direction, the irradiation area of one scanning pass can be widened.

【0014】光学系は、さらに、強度分布成形手段から
の放射ビームを当該直交方向につき収束するビーム形状
成形手段を含んでもよく、ビーム形状成形手段には、シ
リンドリカルレンズがしようできる。シリンドリカルレ
ンズは、上記強度分布成形手段からビームを照射レーザ
ビームが該直交方向に狭幅の線状ビームになるように成
形するものであり、これにより、半導体膜上には、線状
照射レーザビームが得られる。
[0014] The optical system may further include a beam shape shaping means for converging the radiation beam from the intensity distribution shaping means in the orthogonal direction, and the beam shape shaping means may be a cylindrical lens. The cylindrical lens irradiates a beam from the intensity distribution shaping means so as to form a laser beam into a linear beam having a narrow width in the orthogonal direction, whereby a linear irradiating laser beam is formed on the semiconductor film. Is obtained.

【0015】さらに、上記の複数の導波路からの半導体
被膜上に成形された照射レーザビームは、上記の一方向
に向けて但し一直線でなく交互に配列され且つ相隣接す
る照射レーザビーム同士が重ならないように配列されて
もよい。この場合も、このような配列の複数の照射レー
ザビームを直交方向に掃引すれば、同様に1回の走査パ
スの照射領域を広幅にするこができる。
Further, the irradiation laser beams formed on the semiconductor film from the plurality of waveguides are arranged in the above-mentioned one direction, but not in a straight line but alternately. It may be arranged so that it does not become. Also in this case, if a plurality of irradiation laser beams having such an arrangement are swept in the orthogonal direction, the irradiation area of one scanning pass can be similarly widened.

【0016】本発明のレーザ光学系は、半導体膜として
ケイ素膜に適用することができ、特に、液晶ディスプレ
イの画素部の薄膜トランジスタのケイ素基板として利用
することができる。上記レーザビームには、320〜8
00nmの範囲の発振波長を有するパルスレーザを使用
することができる。この波長域のレーザ光は、特に、ケ
イ素膜に対して適度の透過率を有するので、膜厚み方向
への均一加熱が得られる。このようなレーザビームに
は、固体発振レーザの高調波を利用することができる。
The laser optical system of the present invention can be applied to a silicon film as a semiconductor film, and in particular, can be used as a silicon substrate for a thin film transistor in a pixel portion of a liquid crystal display. 320 to 8 for the laser beam
A pulsed laser having an oscillation wavelength in the range of 00 nm can be used. Since the laser light in this wavelength region has an appropriate transmittance particularly to the silicon film, uniform heating in the film thickness direction can be obtained. A harmonic of a solid-state oscillation laser can be used for such a laser beam.

【0017】本発明のレーザアニーリング装置は、上記
のレーザ光学系を使用し、レーザ光学系にレーザビーム
を放射するレーザ発振器と、基板を載置固定するステー
ジと、上記の光学系若しくはステージに備えて照射レー
ザビームを半導体被膜上で上記直交方向に走査させる走
査機構とを備えて構成される。
A laser annealing apparatus according to the present invention includes a laser oscillator that emits a laser beam to the laser optical system using the above laser optical system, a stage for mounting and fixing a substrate, and the above optical system or stage. And a scanning mechanism for scanning the irradiation laser beam on the semiconductor film in the orthogonal direction.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明のレーザ光学系の1つの形
態は、複数のレーザ光源からの複数のレーザビームを単
一系列の強度分布成形手段とビーム形状成形手段とによ
り入射光を合成して、半導体膜表面に照射し、その照射
レーザビームを、一方向に伸びて一様均一な強度分布と
し他方の直交方向には狭幅の線状の形状に調節するもの
である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the laser optical system according to the present invention combines a plurality of laser beams from a plurality of laser light sources with a single series of intensity distribution shaping means and beam shape shaping means to synthesize incident light. Then, the surface of the semiconductor film is irradiated, and the irradiated laser beam is extended in one direction to form a uniform intensity distribution, and is adjusted to a linear shape having a narrow width in the other orthogonal direction.

【0019】本発明においては、単一系列の強度分布成
形手段とビーム形状成形手段とをそれぞれ、ビーム光軸
に垂直な面内の一方向(以下、y方向とする)に対向す
る一対の反射面を有する導波路と、該一方向に直交する
直交方向(以下、x方向とする)に収束するシリンドリ
カルレンズ、例えば、円筒レンズを利用して、複数のレ
ーザ発振器からの複数のレーザビームを、単一系列の強
度分布成形手段で合成して、高エネルギーの照射ビーム
を半導体膜表面に照射するものである。
In the present invention, the single-series intensity distribution shaping means and the beam shape shaping means are each provided with a pair of reflection faces facing in one direction (hereinafter referred to as y-direction) in a plane perpendicular to the beam optical axis. A plurality of laser beams from a plurality of laser oscillators using a waveguide having a surface and a cylindrical lens, for example, a cylindrical lens converging in an orthogonal direction (hereinafter, referred to as an x direction) orthogonal to the one direction, The semiconductor laser is irradiated with a high-energy irradiation beam, which is synthesized by a single series of intensity distribution shaping means.

【0020】別の形態は、単一系列の強度分布成形手段
とビーム形状成形手段とを、それぞれ、複数のレーザビ
ームに対応するy方向に対向する一対の反射面を有す複
数の導波路と、これら導波路からの放射ビームをx方向
に収束する単一のシリンドリカルレンズ、例えば、円筒
レンズを利用して、複数のレーザ発振器からの複数のレ
ーザビームをそれぞれ照射レーザビームとして半導体膜
表面に照射するものである。
In another embodiment, a single-series intensity distribution shaping unit and a beam shape shaping unit are each provided with a plurality of waveguides having a pair of reflecting surfaces opposed to each other in the y direction corresponding to a plurality of laser beams. Using a single cylindrical lens that converges radiation beams from these waveguides in the x-direction, for example, a cylindrical lens, a plurality of laser beams from a plurality of laser oscillators are irradiated on the semiconductor film surface as irradiation laser beams, respectively. Is what you do.

【0021】ここで、本発明のレーザ照射の対象は、比
較的大きな面積を有する半導体被膜であるが、半導体被
膜は、適当な基板上に、例えば、気相から蒸着法などの
方法により、被着形成した非晶質の薄膜が使用され、或
いは、この非晶質被膜を、予備的にアニーリングして、
部分的ないし全面的に結晶化された半導体膜が利用でき
る。
Here, the object of the laser irradiation of the present invention is a semiconductor film having a relatively large area, and the semiconductor film is coated on an appropriate substrate by, for example, a vapor phase method such as a vapor deposition method. An amorphous thin film formed by deposition is used, or this amorphous coating is preliminarily annealed to
A partially or completely crystallized semiconductor film can be used.

【0022】半導体膜の例には、ケイ素膜が挙げられ
る。ケイ素膜は、上記の液晶パネルの画素部を構成する
薄膜トランジスタ素子に半導体基板として利用される。
基板上に成膜した非晶質ケイ素膜が利用され、レーザビ
ームが照射により、多結晶化される。
Examples of the semiconductor film include a silicon film. The silicon film is used as a semiconductor substrate in a thin film transistor element constituting a pixel portion of the liquid crystal panel.
An amorphous silicon film formed on a substrate is used, and polycrystallized by irradiation with a laser beam.

【0023】非晶質ケイ素膜の例として、セラミクスま
たはガラスの基板50上に、下地膜51として例えば厚
さ200nm程度の酸化ケイ素膜をCVD(Chemical V
aporDeposition)法により形成し、その上に、厚さ50
nm程度の非晶質ケイ素膜等を低圧CVD(Low Pressu
re Chemical Vapor Deposition)により成膜したもので
ある。このように作った非晶質ケイ素膜は、予備的アニ
ーリングにより一部若しくは全面を多結晶にしてもよ
い。
As an example of an amorphous silicon film, a silicon oxide film having a thickness of, for example, about 200 nm is formed as a base film 51 on a ceramics or glass substrate 50 by CVD (Chemical V).
aporDeposition) method, and a thickness of 50
nm amorphous silicon film, etc., by low pressure CVD (Low Pressu
re Chemical Vapor Deposition). The amorphous silicon film thus formed may be partially or entirely polycrystalline by preliminary annealing.

【0024】以下ケイ素膜を例に採ると、非晶質の又は
結晶にしたケイ素膜の表面上には、上記の光学系により
照射レーザビームが線状になるようにレーザ光が照射さ
れ、照射レーザビームは、その幅方向に(x方向に)に
走査される。ケイ素膜は、照射部位で、線状に照射され
たレーザ光を吸収し加熱され、照射レーザビームの線状
形状に沿った線状ないしは長方形状に局部的に溶融され
る。このとき、照射レーザビームの長手方向即ちy方向
は、レーザビーム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。そして、照射レ
ーザビームの移動に伴って、この溶融部が冷却するとき
は、結晶は温度勾配に従って成長するので、基板50の
移動方向即ちx方向への1次元成長(一方向成長)にな
り、結晶粒径は、数μm程度と大きな結晶粒が形成さ
れ、大きな結晶粒は、その格子欠陥密度を相対的に低
い。この実施の形態は、複数個のレーザ発振器、例え
ば、以下の例のように、3個のレーザ発振器からのレー
ザビームを単一の強度分布成形手段で合成するので、合
成した1つの照射レーザビームは、エネルギー密度が高
く、従って、ケイ素膜の溶融のための走査速度を高くす
ることができ、単位時間当たりの結晶化面積を高めるこ
とができる。
Taking a silicon film as an example, the surface of the amorphous or crystalline silicon film is irradiated with laser light by the above-mentioned optical system so that the irradiation laser beam becomes linear. The laser beam is scanned in the width direction (in the x direction). The silicon film is heated at the irradiation site by absorbing the linearly irradiated laser light and locally melted in a linear or rectangular shape along the linear shape of the irradiated laser beam. At this time, a temperature gradient does not occur in the longitudinal direction of the irradiation laser beam, that is, the y direction because the intensity distribution of the laser beam 2 is uniform, and a temperature gradient occurs only in the x direction. Then, when the melted portion is cooled with the movement of the irradiation laser beam, the crystal grows in accordance with the temperature gradient, so that the one-dimensional growth (unidirectional growth) in the moving direction of the substrate 50, that is, the x direction, Large crystal grains having a crystal grain size of about several μm are formed, and the large crystal grains have a relatively low lattice defect density. In this embodiment, a plurality of laser oscillators, for example, laser beams from three laser oscillators are combined by a single intensity distribution shaping means as in the following example. Has a high energy density, so that the scanning speed for melting the silicon film can be increased, and the crystallization area per unit time can be increased.

【0025】本発明におけるレーザ発振器は、非晶質若
しくは多結晶のケイ素膜の結晶化には、320nm〜8
00nm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、320nm〜800nmの間に発振波
長光は、非晶質ケイ素に対する吸収係数が比較的小さ
く、そのレーザ光は、膜厚方向によく浸透するため、ケ
イ素膜を膜厚方向にほぼ均一に加熱し、従って、レーザ
照射によって発生するケイ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、基板上膜材料である
非晶質若しくは多結晶のケイ素膜の、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。
According to the laser oscillator of the present invention, an amorphous or polycrystalline silicon film is crystallized from 320 nm to 8 nm.
Lasers having an oscillation wavelength between 00 nm are more effective. In other words, light having an oscillation wavelength between 320 nm and 800 nm has a relatively small absorption coefficient with respect to amorphous silicon, and the laser light penetrates well in the film thickness direction, so that the silicon film is heated almost uniformly in the film thickness direction. Therefore, the lateral temperature distribution in the silicon film generated by the laser irradiation is:
It is formed only in the x direction. Therefore, the beam portion having a certain intensity or more of the amorphous or polycrystalline silicon film as the film material on the substrate is melted in the entire depth direction.

【0026】以上のような波長域のレーザを使用する光
学系は、非晶質又は多結晶のケイ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
ランジスタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜が
得られる
An optical system using a laser in the above-mentioned wavelength range can uniformly heat the thickness direction of an amorphous or polycrystalline silicon film, and can be used for manufacturing a high-performance thin film transistor by a laser heat treatment method. The required thin film with excellent crystallinity can be obtained

【0027】340nm〜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:Y
LFレーザの第2高調波(524nm)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。また、Ti:サファイアの基本波または第2高調
波を用いてもよい。固体レーザ高調波発生源を用いるこ
とにより、340nm〜800nmの間に発振波長のレ
ーザ光をコンパクトな装置でを効率よく得られ、長時間
安定した動作が可能になる。ケイ素膜は、厚さ方向を均
一に加熱溶融できるので、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製造するのに必要な結晶性に
優れた薄膜が得られる。
As a laser having an oscillation wavelength between 340 nm and 800 nm, for example, a solid-state laser harmonic generation source is preferable. That is, the second harmonic (532 nm) and the third harmonic (355 nm) of the Nd: YAG laser, Nd: Y
The second harmonic (524 nm) or the third harmonic (349 nm) of the LF laser, or the second harmonic (515 nm) or the third harmonic (344 nm) of the Yb: YAG laser is used. Alternatively, a fundamental wave or second harmonic of Ti: sapphire may be used. By using the solid-state laser harmonic generation source, laser light having an oscillation wavelength between 340 nm and 800 nm can be efficiently obtained with a compact device, and stable operation can be performed for a long time. Since the silicon film can be uniformly heated and melted in the thickness direction, a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor by a laser heat treatment method can be obtained.

【0028】実施の形態1.この実施形態のレーサ光学
系は、図1においては、複数のレーザ発振器1a〜1c
から放出された各レーザビーム2a〜2cは、強度分布
成形手段30に入射するが、レーザビームの光軸に垂直
な断面内のy方向について、強度分布成形手段は、レー
ザビームの強度分布を均一にし、y方向に直交するx方
向については発散して、ビーム形状成形手段40に入射
する。ビーム形状成形手段40は、y方向には、ほぼ発
散して、半導体膜5の表面上では一定の長さで一様な強
度分布にすると共に、x方向には収束して、照射レーザ
ビームのx方向強度分布を急峻な狭幅にする。このよう
な線状の照射レーザビームが、非晶質若しくは多結晶の
半導体膜に照射される。
Embodiment 1 The laser optical system of this embodiment has a plurality of laser oscillators 1a to 1c in FIG.
The laser beams 2a to 2c emitted from the laser beam enter the intensity distribution shaping unit 30. The intensity distribution shaping unit uniforms the intensity distribution of the laser beam in the y direction in a section perpendicular to the optical axis of the laser beam. The beam diverges in the x direction orthogonal to the y direction and enters the beam shape shaping unit 40. The beam shape shaping means 40 diverges substantially in the y-direction, forms a uniform intensity distribution with a constant length on the surface of the semiconductor film 5, and converges in the x-direction to form an irradiation laser beam. The intensity distribution in the x direction is made to have a sharp narrow width. Such a linear irradiation laser beam is applied to an amorphous or polycrystalline semiconductor film.

【0029】より詳しくは、この例の光学系は、図1
(A、B)において、3つのレーザ発振器1a〜1cに
対して、単一の集光レンズ32と、強度分布成形手段3
0としてこれに続く単一の導波路33と、この導波路3
3に続くビーム形状成形手段40として、シリンドリカ
ルレンズ、即ち、円筒レンズから成っている。
More specifically, the optical system of this example is shown in FIG.
In (A, B), for the three laser oscillators 1a to 1c, a single condenser lens 32 and an intensity distribution shaping unit 3 are provided.
0 followed by a single waveguide 33 and this waveguide 3
The beam shape shaping means 40 following 3 comprises a cylindrical lens, that is, a cylindrical lens.

【0030】導波路33は、y方向に対面する1対の反
射面(反射面は、x方向には平行であるか又は先細にテ
ーパ状にされている)を備えて、光はy方向に交互に反
射可能で反射面間は透光可能ある。導波路は、このよう
な対向する反射面を有する透明体のブロック、例えば、
光学ガラスブロック、が利用できる。導波路には、ま
た、y方向に対面する1対の反射面の間を空間とした1
対の反射鏡も含む。図1に示す例は、導波路33がy方
向に対面して離間した1対の反射鏡であることを示して
いる。
The waveguide 33 has a pair of reflecting surfaces facing in the y-direction (the reflecting surfaces are parallel or tapered in the x-direction), and light is transmitted in the y-direction. It can reflect alternately and can transmit light between the reflecting surfaces. The waveguide is a transparent block having such opposing reflective surfaces, for example,
Optical glass blocks are available. The waveguide has a space between a pair of reflecting surfaces facing each other in the y direction.
Includes twin mirrors. The example shown in FIG. 1 shows that the waveguide 33 is a pair of reflecting mirrors facing each other in the y direction and separated from each other.

【0031】集光レンズ32は、図1(A、B)に示す
ように、複数のレーザ発振器1a〜1cから放出された
各レーザビーム2a〜2cが、単一の集光レンズ32に
より、集光されて、1対の反射鏡の間に入射するように
配置され、集光された各レーザビーム2a〜2c一部
が、光軸に向ってy方向に反射面間で反射しながら進行
し、x方向には焦点位置から放散するように進行し、導
波路33の照射側から放射されて、レーザビーム2a〜
2cが合成される。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the condenser lens 32 collects the laser beams 2a to 2c emitted from the plurality of laser oscillators 1a to 1c by a single condenser lens 32. A part of each of the condensed laser beams 2a to 2c is arranged so as to be illuminated and incident between a pair of reflecting mirrors, and travels while reflecting between the reflecting surfaces in the y direction toward the optical axis. , In the x-direction, the radiation proceeds from the focal position, and is radiated from the irradiation side of the waveguide 33, and the laser beams 2a to
2c is synthesized.

【0032】導波路33から放射された光は、ビーム形
状成形手段40に入射されるが、ビーム形状成形手段4
0には、円筒レンズを使用して、入射光のx方向だけが
ビーム形状成形手段40により収束されて、基板上の半
導体膜状に線状に集光する。この入射光のy方向は、ほ
ぼ直進するので、基板上の半導体膜では長くなり、且
つ、y方向の強度分布は、一様になる。
The light radiated from the waveguide 33 is incident on the beam shape shaping means 40, but the beam shape shaping means 4
At 0, only the x direction of the incident light is converged by the beam shape shaping means 40 using a cylindrical lens, and condensed linearly into a semiconductor film on the substrate. Since the incident light travels substantially straight in the y direction, the length of the semiconductor film on the substrate becomes longer, and the intensity distribution in the y direction becomes uniform.

【0033】この例は、並列した三つのレーザビーム2
a、2b、2cを使用して、両側のレーザビーム2aと
2cとは、それぞれ、一の組の反射鏡M1とM2、他の
組の反射鏡M3、M4により反射させて、レーザビーム
2a〜2cの間隔を狭めており、反射鏡Mにより、3本
の平行なビームが単一の集光レンズ32を通って、導波
路33の反射面間に供給されるようにしている。この例
で示すように、複数のレーザビームを単一の導波路33
内に入射できるので、複数のレーザ発振器1aないし1
cは適当に間隔を設けて配置でき、それらのレーザビー
ム2a〜2cには、適当な間隔を設けることができる。
In this example, three parallel laser beams 2
a, 2b and 2c, the laser beams 2a and 2c on both sides are reflected by one set of reflecting mirrors M1 and M2 and the other set of reflecting mirrors M3 and M4, respectively, so that the laser beams 2a to 2c are reflected. The interval 2c is narrowed, and the reflecting mirror M allows three parallel beams to be supplied through the single condensing lens 32 between the reflecting surfaces of the waveguide 33. As shown in this example, a plurality of laser beams are combined into a single waveguide 33.
Into the laser oscillators 1a to 1a.
c can be arranged at appropriate intervals, and the laser beams 2a to 2c can be arranged at appropriate intervals.

【0034】この実施の形態の変形例として、強度分布
成形手段の導波路として対向する両面に反射面をそなえ
た透明体ブロックを利用することもでき、図1に示した
中空の反射鏡34a,34bの導波路を、対面する反射
面をそなえた透明体ブロックに代替する。
As a modification of this embodiment, a transparent block having reflecting surfaces on both opposing surfaces can be used as the waveguide of the intensity distribution shaping means, and the hollow reflecting mirrors 34a and 34a shown in FIG. 1 can be used. The waveguide of 34b is replaced with a transparent block having a reflecting surface facing the same.

【0035】実施の形態2.この実施形態は、図2に示
すように、複数のレーザ発振器1a〜1cに対して、1
個の強度分布成形手段30を設け、強度分布成形手段3
0からのレーザビームを単一のビーム形状成形手段40
により、半導体膜表面5上に単一の線状の照射レーザビ
ームを成形するものであるが、強度分布成形手段30
は、複数のレーザ発振器1a〜1cに対応して複数の組
の集光レンズ32と強度分布成形手段として複数の導波
路33a〜33bを並列的配置で一体化されている。
Embodiment 2 In this embodiment, as shown in FIG. 2, one laser oscillator 1a to 1c is used.
The strength distribution shaping means 3 is provided.
Laser beam from a single beam shaper 40
Is used to form a single linear irradiation laser beam on the semiconductor film surface 5.
Has a plurality of condensing lenses 32 corresponding to a plurality of laser oscillators 1a to 1c and a plurality of waveguides 33a to 33b as intensity distribution shaping means integrated in a parallel arrangement.

【0036】上記の導波路33a〜33bは、y方向に
対面する1対の反射面を備えた透明ブロックが利用され
ており、これら複数の透明ブロックは、その間に空気、
不透明体又は透明ブロックより屈折率の小さい透明体を
介在させて、一体化され、各集光レンズは、各透明ブロ
ックの入射側に配置されて、レーザ発振器1a〜1cか
らのレーザビームを、各透明ブロックの反射面間に羅入
射するものである。
The waveguides 33a to 33b use a transparent block having a pair of reflecting surfaces facing each other in the y-direction.
An opaque body or a transparent body having a smaller refractive index than that of the transparent block is interposed and integrated. Each condenser lens is arranged on the incident side of each transparent block, and the laser beams from the laser oscillators 1a to 1c are respectively The light enters between the reflective surfaces of the transparent blocks.

【0037】この例においても、適当に離間した複数の
レーザ発振器1a〜1cのうち外側の複数のレーザ発振
器1a、1cからのレーザビーム2a、2bは、上記の
実施形態と同様に、反射鏡Mを介して、相互に狭い間隔
の平行なレーザビームに調整して、各集光レンズ32に
入射している。
Also in this example, the laser beams 2a and 2b from the outer plurality of laser oscillators 1a and 1c out of the plurality of laser oscillators 1a to 1c that are appropriately separated from each other are supplied to the reflecting mirror M as in the above-described embodiment. Are adjusted to parallel laser beams at a narrow interval from each other, and are incident on each condenser lens 32.

【0038】この実施形態は、複数の導波路33a〜3
3bからの放射したレーザビームは、完全に合成一体化
することなく、互いに光軸に間隔を設けて平行に配置さ
れているので、ビーム形状成形手段40として円筒レン
ズを使用して、y方向には長く且つ強度分布均一で、x
方向には線状に収束した線状照射ビームを半導体膜表面
上に得られる。
In this embodiment, a plurality of waveguides 33a to 33a
Since the laser beams emitted from 3b are arranged in parallel with a distance from each other on the optical axis without being completely combined and integrated, a cylindrical lens is used as the beam shape shaping means 40, and the laser beam is emitted in the y direction. Is long and uniform in intensity distribution, x
A linear irradiation beam linearly converged in the direction can be obtained on the semiconductor film surface.

【0039】この実施形態によれば、複数の導波路に入
射する各レーザビームの絞り角を小さくできるので、強
度分布成形手段30から出射されるビームの広がり角も
小さくでき、実施の形態1、2に比べ、開口数NAの小
さなビーム形状成形手段40を用いることができ、光学
部品数の小型、低コスト化が可能になる。
According to this embodiment, since the stop angle of each laser beam incident on the plurality of waveguides can be reduced, the divergence angle of the beam emitted from the intensity distribution shaping means 30 can also be reduced. 2, the beam shape shaping means 40 having a smaller numerical aperture NA can be used, and the number of optical components can be reduced in size and cost can be reduced.

【0040】実施の形態3.上記実施形態2に示した強
度分布成形手段30の放射側において、複数の導波路3
3a、33b、33cからの出射されるレーザビームの
x方向の光軸が一致した場合において、ビーム形状成形
手段40からの半導体膜5上での照射レーザビーム8
a,8b,8cを、y方向に直線状に配列した例を、図
3に示す。
Embodiment 3 On the radiation side of the intensity distribution shaping means 30 shown in the second embodiment, a plurality of waveguides 3
When the optical axes of the laser beams emitted from 3a, 33b, and 33c in the x direction coincide with each other, the irradiation laser beam 8 from the beam shape shaping unit 40 on the semiconductor film 5
FIG. 3 shows an example in which a, 8b, and 8c are linearly arranged in the y direction.

【0041】強度分布成形手段30では、y方向の形強
度分布を完全に矩形とするのは困難なので、各照射レー
ザビーム8a,8b,8cのy方向の強度分布Pya,
Pyb,Pycは強度分布プロフィルの周辺部がなだら
かになる。そこで、図3に示すように、照射レーザビー
ム(例えば、8a)の周辺部を、これに隣接する照射レ
ーザビーム(例えば)8bの周辺部と適当に重ねるよう
に、図2に示すような導波路33a、33bの間隔を調
節することにより、複数のレーザ発振器から放出された
レーザ光を半導体膜上で、y方向にほぼ均一に合成し
て、一様均一な合成強度分布Pyにすることができ、x
方向には急峻な狭幅の強度分布Pxをえることができ
る。
Since it is difficult for the intensity distribution shaping means 30 to make the shape intensity distribution in the y direction completely rectangular, the intensity distributions Pya, Pya, y in the y direction of each of the irradiation laser beams 8a, 8b, 8c.
For Pyb and Pyc, the periphery of the intensity distribution profile becomes gentle. Therefore, as shown in FIG. 3, the peripheral portion of the irradiation laser beam (eg, 8a) is appropriately overlapped with the peripheral portion of the adjacent irradiation laser beam (eg, 8b) as shown in FIG. By adjusting the interval between the wave paths 33a and 33b, the laser beams emitted from the plurality of laser oscillators can be almost uniformly combined on the semiconductor film in the y direction to have a uniform uniform combined intensity distribution Py. Yes, x
In the direction, a steep narrow width intensity distribution Px can be obtained.

【0042】この実施形態では、y方向でその長さ方向
にほぼ均一な照射光強度が得られるので、大きな結晶粒
で均一な多結晶の半導体膜、例えば、ケイ素膜の形成が
可能となり、ケイ素膜を利用して高性能の薄膜トランジ
スタを製造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。
In this embodiment, since a substantially uniform irradiation light intensity can be obtained in the length direction in the y direction, it is possible to form a uniform polycrystalline semiconductor film with large crystal grains, for example, a silicon film. By using the film, a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor can be formed.

【0043】実施の形態4.図4は、別の例として、実
施の形態2において示したように、強度分布成形手段3
0の出射側において、複数の導波路33a33b、33
cから放射されたレーザビームのx方向の光軸を一致さ
せない場合で、ケイ素膜表面上での照射レーザビーム8
a,8b,8cをy方向に重ならないように、且つ、一
直線でなく交互に配列され、走査方向から見て、図4に
示すように、照射レーザビーム(例えば、8a)の周辺
部82を、これに隣接する照射レーザビーム(例えば)
8bの均一照射強度の領域81と適当に重ねるように、
図2に示すような導波路33a、33bの間隔を調節す
る。これにより、複数のレーザ発振器から放出された複
数のレーザ光を半導体膜上の走査の過程で、照射レーザ
ビームのy方向の均一な強度分布Pyの領域81、81
が互いに重複するようにでき、しかも、x方向には急峻
な狭幅の強度分布Pxを得ることができる。この例は、
照射レーザビームが他の照射レーザビームと重複しない
ので、局部的に照射強度の高い部分が生じず、高いレー
ザ強度によりケイ素膜を損傷させることを防ぐことがで
きる。
Embodiment 4 FIG. FIG. 4 shows another example of the intensity distribution shaping means 3 as described in the second embodiment.
0, the plurality of waveguides 33a33b, 33
In the case where the optical axes in the x direction of the laser beam emitted from the laser beam c do not coincide, the irradiation laser beam 8 on the silicon film surface
a, 8b, and 8c are arranged so as not to overlap in the y-direction and alternately instead of in a straight line. When viewed from the scanning direction, as shown in FIG. Irradiating laser beam adjacent to it (for example)
8b so as to appropriately overlap with the region 81 of uniform irradiation intensity,
The distance between the waveguides 33a and 33b is adjusted as shown in FIG. Accordingly, in the process of scanning the plurality of laser beams emitted from the plurality of laser oscillators on the semiconductor film, the regions 81, 81 of the uniform intensity distribution Py of the irradiation laser beam in the y direction are provided.
Can be overlapped with each other, and an intensity distribution Px having a steep narrow width in the x direction can be obtained. This example
Since the irradiation laser beam does not overlap with other irradiation laser beams, a portion having a high irradiation intensity does not occur locally, and it is possible to prevent the silicon film from being damaged by the high laser intensity.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明のレーザアニーリング用レーザ光
学系は、レーザ発振器から放射されたレーザビームを、
基板上に形成された非晶質若しくは多結晶の半導体膜表
面に照射し且つ該半導体膜表面上の照射レーザビームを
線状形状にする強度分布成形手段を含み、レーザ光学系
が、複数のレーザ発振器からの複数のレーザビームを上
記の強度分布成形手段に入射させて、強度分布成形手段
が、各照射レーザビームの強度分布を、一方向について
は均一に長くし直交方向には急峻な狭幅にすることがで
きるので、照射レーザビームは、必要な照射強度を保っ
た状態で、照射領域を大きくでき、これにより多結晶半
導体膜の生産性が向上できる、光学系が単純になり、光
学部品数を削減できる。
According to the laser optical system for laser annealing of the present invention, a laser beam emitted from a laser
An intensity distribution shaping means for irradiating an amorphous or polycrystalline semiconductor film surface formed on a substrate and for irradiating an irradiation laser beam on the semiconductor film surface with a linear shape; A plurality of laser beams from the oscillator are made incident on the intensity distribution shaping unit, and the intensity distribution shaping unit uniformly lengthens the intensity distribution of each irradiation laser beam in one direction and sharply narrows in the orthogonal direction. The irradiation laser beam can increase the irradiation area while maintaining the required irradiation intensity, thereby improving the productivity of the polycrystalline semiconductor film. The number can be reduced.

【0045】レーザ光学系は、強度分布成形手段が、複
数のレーザ発振器に対して単一の導波路としたので、照
射レーザビームは、必要な照射強度を保持し、照射面積
を大きくでき、生産性が向上できるとともに、光学部品
数を削減でき、小型、低コスト化が可能になる。
In the laser optical system, since the intensity distribution shaping means uses a single waveguide for a plurality of laser oscillators, the irradiation laser beam can maintain the required irradiation intensity, increase the irradiation area, and increase the production area. Performance can be improved, the number of optical components can be reduced, and downsizing and cost reduction can be achieved.

【0046】本発明のレーザ光学系は、強度分布成形手
段が、複数のレーザ発振器に対応して複数の導波路を使
用すれば、導波路に入射するレーザビームの絞り角を小
さくできるので、強度分布成形手段から出射されるビー
ムの広がり角も小さくでき、開口比のの小さなビーム形
状成形手段を用いることができ、光学部品数の小型、低
コスト化が可能になる。
In the laser optical system according to the present invention, if the intensity distribution shaping means uses a plurality of waveguides corresponding to a plurality of laser oscillators, the aperture angle of the laser beam incident on the waveguide can be reduced, so that the intensity The divergence angle of the beam emitted from the distribution shaping means can be reduced, and a beam shape shaping means having a small aperture ratio can be used, so that the number of optical components can be reduced and the cost can be reduced.

【0047】本発明のレーザ光学系は、ビーム形状成形
手段としてシリンドリカルレンズを使用すれば、簡単な
光学部品で、狭幅の照射レーザビームを半導体膜上に形
成できて半導体膜には、照射後凝固過程を一方向凝固に
して上記の広い照射領域に亘る大き結晶粒を形成するこ
とができる。
In the laser optical system of the present invention, if a cylindrical lens is used as a beam shape shaping means, a narrow irradiation laser beam can be formed on a semiconductor film with a simple optical component. The solidification process can be unidirectionally solidified to form large crystal grains over the wide irradiation area.

【0048】レーザ光学系は、複数の強度分布成形手段
により、成形された照射レーザビームがその長手方向に
ほぼ一直線に配列すれば、照射レーザビームは長手方向
にほぼ均一な照射光強度が得られ、均一な多結晶のケイ
素膜の形成が可能となり、高性能の薄膜トランジスタを
製造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。
In the laser optical system, if a plurality of intensity distribution shaping means arrange the formed irradiation laser beams in a substantially straight line in the longitudinal direction, the irradiation laser beam can obtain a substantially uniform irradiation light intensity in the longitudinal direction. Thus, a uniform polycrystalline silicon film can be formed, and a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor can be formed.

【0049】レーザ光学系は、複数の強度分布成形手段
により成形された各照射レーザビームが重ならないよう
に配列すれば、局部的に照射強度の高い部分が生じず、
高いレーザ強度により非晶質若しくは多結晶のケイ素膜
を損傷させることを防ぐことができる。
In the laser optical system, if the irradiation laser beams formed by the plurality of intensity distribution forming means are arranged so as not to overlap with each other, a portion having a high irradiation intensity does not occur locally.
The high laser intensity can prevent the amorphous or polycrystalline silicon film from being damaged.

【0050】本発明のレーザ光学系を、半導体膜とし
て、ケイ素膜に適用すれば、高速で高性能の薄膜トラン
ジスタの形成が可能であり、高性能な液晶ディスプレー
の画素部として利用できる。
When the laser optical system of the present invention is applied to a silicon film as a semiconductor film, a high-speed and high-performance thin film transistor can be formed, and can be used as a pixel portion of a high-performance liquid crystal display.

【0051】本発明のレーザ光学系は、レーザ発振器
が、320nm〜800nmの間の発振波長を有するも
のを使用すれば、特に、非晶質若しくは多結晶のケイ素
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製造するのに必要な結
晶性に優れた薄膜が得られる。
In the laser optical system of the present invention, if a laser oscillator having an oscillation wavelength between 320 nm and 800 nm is used, in particular, the thickness direction of the amorphous or polycrystalline silicon film is uniformly heated. As a result, a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor by a laser heat treatment method can be obtained.

【0052】本発明のレーザ光学系は、レーザ発振器
が、固体レーザの高調波を利用すれば、レーザ発振器を
コンパクトにでき、高調波を上記の波長範囲にすれば、
非晶質若しくは多結晶のケイ素膜の厚さ方向を均一に加
熱でき、高性能の薄膜トランジスタを製造するのに必要
な結晶性に優れた薄膜が得られる。
In the laser optical system of the present invention, the laser oscillator can be made compact if the harmonics of the solid-state laser are used, and if the harmonics are within the above wavelength range,
The thickness direction of the amorphous or polycrystalline silicon film can be uniformly heated, and a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor can be obtained.

【0053】レーザアニーリング装置は、上記のレーザ
光学系と、レーザ光学系にレーザビームを放射するレー
ザ発振器と、基板を載置固定するステージと、上記の光
学系若しくはステージに備えて照射レーザビームを半導
体被膜上で上記直交方向に走査させる走査機構と、を備
えるので、必要な照射強度を保った状態で、照射面積を
大きくでき、生産性が向上でき、高性能の薄膜トランジ
スタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜が得られ
るとともに、装置構成が簡素化され、光学部品数を削減
できる。
The laser annealing apparatus includes the laser optical system described above, a laser oscillator for emitting a laser beam to the laser optical system, a stage for mounting and fixing a substrate, and an irradiation laser beam provided for the optical system or the stage. A scanning mechanism that scans the semiconductor film in the orthogonal direction as described above, so that the irradiation area can be increased, the productivity can be improved, and the high-performance thin film transistor can be manufactured while maintaining the required irradiation intensity. A thin film having excellent crystallinity can be obtained, the device configuration can be simplified, and the number of optical components can be reduced.

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

【図1】 本発明の実施の形態に係るレーザ光学系の側
面図である(A,B)。
FIG. 1 is a side view of a laser optical system according to an embodiment of the present invention (A, B).

【図2】 本発明の他の実施の形態を示すレーザ光学系
の側面図である(A,B)。
FIG. 2 is a side view (A, B) of a laser optical system showing another embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の実施の形態における半導体膜上の照
射レーザビームの強度分布を示す。
FIG. 3 shows an intensity distribution of an irradiation laser beam on a semiconductor film in the embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の他の実施の形態における半導体膜上
の照射レーザビームの強度分布を示す。
FIG. 4 shows an intensity distribution of an irradiation laser beam on a semiconductor film according to another embodiment of the present invention.

【図5】 レーザ熱処理装置を示す構成図(A,B)と
強度分布を(C〜E)示す。
FIG. 5 shows a configuration diagram (A, B) showing a laser heat treatment apparatus and intensity distributions (C to E).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ発振器、2 レーザビーム、30 強度分布
成形手段、5 ケイ素膜、6 基板、32 レンズ、3
3 導波路、40 ビーム形状成形手段、8a、8b、
8c 照射レーザビーム。
REFERENCE SIGNS LIST 1 laser oscillator, 2 laser beam, 30 intensity distribution shaping means, 5 silicon film, 6 substrate, 32 lens, 3
3 waveguide, 40 beam shaping means, 8a, 8b,
8c Irradiation laser beam.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (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 Fターム(参考) 5F052 BA01 BA04 BA07 BA14 BA15 BB02 BB07 CA07 CA10 DA01 DB02 JA01 5F110 AA16 AA30 DD01 DD02 DD13 GG02 GG15 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP29 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yukio Sato 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsubishi Electric Corporation (72) Inventor Junichi Nishimae 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo F term in Mitsubishi Electric Corporation (reference) 5F052 BA01 BA04 BA07 BA14 BA15 BB02 BB07 CA07 CA10 DA01 DB02 JA01 5F110 AA16 AA30 DD01 DD02 DD13 GG02 GG15 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP29

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザ発振器から放射されたレーザビー
ムを、基板上に形成された非晶質若しくは多結晶の半導
体膜表面に照射させる強度分布成形手段とビーム形状成
形手段を含むレーザアニーリング用レーザ光学系であっ
て、 上記の強度分布成形手段が、複数のレーザ発振器からの
複数のレーザビームが入射されて、半導体膜表面に照射
される各照射レーザビームの強度分布をレーザビームの
光軸に垂直な断面内の一方向については均一にし、上記
ビーム形状成形手段が、各照射レーザビームの強度分布
を該一方向の直交方向には急峻な狭幅にして、線状照射
レーザビームにより上記の半導体膜を溶融し多結晶化す
るレーザ光学系。
1. A laser optics for laser annealing including an intensity distribution shaping means and a beam shape shaping means for irradiating a laser beam emitted from a laser oscillator to a surface of an amorphous or polycrystalline semiconductor film formed on a substrate. The intensity distribution shaping means, wherein a plurality of laser beams from a plurality of laser oscillators are incident, and the intensity distribution of each irradiation laser beam irradiated on the semiconductor film surface is perpendicular to the optical axis of the laser beam. The beam shape shaping means makes the intensity distribution of each irradiation laser beam sharply narrow in a direction orthogonal to the one direction, and the semiconductor laser is irradiated with the linear irradiation laser beam. A laser optical system that melts and polycrystallizes a film.
【請求項2】 強度分布成形手段が、複数のレーザ発振
器から入射した複数のレーザビームを上記一方向につい
て交互に反射する1対の対向した反射面を有する単一の
導波路を含む請求項1に記載のレーザ光学系。
2. The intensity distribution shaping means includes a single waveguide having a pair of opposed reflecting surfaces that alternately reflect a plurality of laser beams incident from a plurality of laser oscillators in the one direction. 4. The laser optical system according to 1.
【請求項3】 強度分布成形手段が、複数のレーザ発振
器からの各レーザビームに対応して上記一方向について
反射する1対の対向した反射面を有する複数の導波路を
含む請求項1に記載のレーザ光学系。
3. The apparatus according to claim 1, wherein the intensity distribution shaping means includes a plurality of waveguides having a pair of opposed reflecting surfaces reflecting in one direction corresponding to each laser beam from the plurality of laser oscillators. Laser optics.
【請求項4】 上記ビーム形状成形手段が、強度分布成
形手段からのレーザビームを当該直交方向につき収束し
て照射レーザビームを狭幅の線状ビームとするシリンド
リカルレンズを含む請求項1ないし3に記載のレーザ光
学系。
4. The apparatus according to claim 1, wherein said beam shape shaping means includes a cylindrical lens which converges the laser beam from the intensity distribution shaping means in the orthogonal direction to make the irradiation laser beam a narrow linear beam. A laser optical system as described.
【請求項5】 複数の導波路を設けて半導体被膜上に成
形された複数の照射レーザビームが上記一方向にほぼ一
直線に配列した請求項3又は4に記載のレーザ光学系。
5. The laser optical system according to claim 3, wherein a plurality of irradiation laser beams formed on the semiconductor film by providing a plurality of waveguides are arranged substantially linearly in the one direction.
【請求項6】 上記の複数の導波路により半導体被膜上
に成形された照射レーザビームが上記の一方向に向けて
交互に配列され且つ相隣接する照射レーザビーム同士が
重ならないことを特徴とする請求3又は4に記載のレー
ザ光学系。
6. An irradiation laser beam formed on a semiconductor film by the plurality of waveguides is alternately arranged in the one direction, and adjacent irradiation laser beams do not overlap with each other. The laser optical system according to claim 3.
【請求項7】 上記の半導体膜が、ケイ素膜である請求
項1ないし6いずれかに記載のレーザ光学系。
7. The laser optical system according to claim 1, wherein said semiconductor film is a silicon film.
【請求項8】 上記レーザビームが、320〜800n
mの範囲の発振波長を有するパルスレーザである請求項
1ないし7いずれかに記載のレーザ光学系。
8. The laser beam has a wavelength of 320 to 800 n.
The laser optical system according to any one of claims 1 to 7, wherein the laser optical system is a pulse laser having an oscillation wavelength in a range of m.
【請求項9】 上記レーザビームが、固体レーザの高調
波である請求項8に記載のレーザ光学系。
9. The laser optical system according to claim 8, wherein the laser beam is a harmonic of a solid-state laser.
【請求項10】 上記請求項1ないし9いずれか記載の
レーザ光学系と、レーザ光学系にレーザビームを放射す
るレーザ発振器と、基板を載置固定するステージと、上
記の光学系若しくはステージに備えて照射レーザビーム
を半導体被膜上で上記直交方向に走査させる走査機構
と、を備えたレーザアニーリング装置。
10. The laser optical system according to claim 1, a laser oscillator for emitting a laser beam to the laser optical system, a stage for mounting and fixing a substrate, and the optical system or the stage. A scanning mechanism for scanning the semiconductor laser with the irradiation laser beam in the orthogonal direction.
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