JP2002141302A - Optical system for laser annealing and laser annealing apparatus using the same - Google Patents
Optical system for laser annealing and laser annealing apparatus using the sameInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に皮膜形成
された非晶質ケイ素膜を、結晶性に優れた多結晶のケイ
素膜に形成するレーザ熱処理用の光学系とこれを用いた
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical system for laser heat treatment for forming an amorphous silicon film formed on a substrate into a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity, and an apparatus using the same. About.
【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。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、これが
可能となれば、液晶パネルの製造コスト・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。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. In a conventional liquid crystal panel, driver circuits for driving these pixel transistors are independently arranged outside. However, it is expected that the driver circuits can be simultaneously configured close to the pixel transistors. If this is the case, there will be significant advantages in terms of liquid crystal panel manufacturing cost and reliability.
【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
より得られるケイ素膜は一般に多結晶であるが、多結晶
の結晶粒界は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。従って、薄膜トランジスタの移動度を高くするに
は、キャリアの能動層を移動中に結晶粒界を横切る回数
を少なくすることが重要で、このため結晶欠陥密度を小
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結晶欠陥が少ない多結晶
のケイ素膜の形成することである。[0004] The relationship between the crystallinity of the silicon film and the mobility of the thin film transistor is explained as follows. The silicon film obtained by the laser heat treatment is generally polycrystalline, but the crystal grain boundaries of the polycrystal are composed of 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 number of times the carrier crosses the crystal grain boundary during the movement of the active layer, and thus it is necessary to reduce the crystal defect density. The purpose of laser heat treatment is to form a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size and few crystal defects at crystal grain boundaries.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、特願平
11−179233号において、レーザ熱処理用光学系
を提案しているが、これは、レーザ発振器からのレーザ
ビームを光学系により、ケイ素膜表面上で照射レーザビ
ーム形状を線状の分布させ、線状ビームをケイ素膜上に
相対的に線状ビームをそのビームに直交する方向に掃引
するもので、線状ビームの移動過程では、ケイ素膜のビ
ーム照射部位が線状に一旦溶融され、溶融した部位はビ
ーム照射部位が遠ざかるにつれて、冷却されて、ケイ素
膜を粗大粒に結晶化するものである。The present inventors have proposed an optical system for laser heat treatment in Japanese Patent Application No. 11-179233, which uses a laser beam from a laser oscillator by an optical system. The irradiation laser beam shape is linearly distributed on the silicon film surface, and the linear beam is swept relatively on the silicon film in a direction orthogonal to the beam.In the process of moving the linear beam, The beam-irradiated portion of the silicon film is once melted linearly, and the melted portion is cooled as the beam-irradiated portion moves away to crystallize the silicon film into coarse grains.
【0006】図6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。FIG. 6 shows a schematic diagram of this optical system. A laser beam 2 emitted from a laser oscillator 1 passes through an intensity distribution shaping means 30 and a beam shape shaping means 40 and is placed on a substrate 50. The silicon film 5 is irradiated.
【0007】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。In this optical system, a laser beam 2 emitted from a laser oscillator 1 has a beam shape PA on an entrance 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.
【0008】ここで、y方向をケイ素膜上面Cで長方形
又は線状にした照射レーザビームの長手方向に採り、x
方向を照射レーザビームの狭幅方向に採るが、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。Here, the y direction is taken in the longitudinal direction of the irradiation laser beam which is rectangular or linear on the upper surface C of the silicon film, and x
Although the direction is taken in the narrow direction of the irradiation laser beam, the intensity distribution XC in the x direction on the C plane becomes a shape in which the intensity distribution XA in the x direction on the A plane is reduced, and the properties such as the directivity of the oscillation laser beam 2 are reduced. On the other hand, the intensity distribution YC in the y direction on the C plane becomes a substantially uniform distribution.
【0009】レーザが照射される対象は、ガラス等の基
板50上に下地膜51として酸化ケイ素膜を被着し、そ
の上に成膜された非晶質ケイ素膜である。基板50は移
動ステージに載置して固定されており、線状の照射レー
ザビームの狭幅方向、即ちx方向に移動させながらレー
ザ照射を行う。非晶質または多結晶のケイ素膜5にレー
ザ光が照射されると、非晶質または多結晶のケイ素膜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、照射レーザ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50の
移動方向即ちx方向への一方向成長になり、結晶粒径が
数μm程度である大きな結晶粒が形成される。The object to be irradiated with the laser is an amorphous silicon film formed by depositing a silicon oxide film as a base film 51 on a substrate 50 made of glass or the like and forming the silicon oxide film thereon. The substrate 50 is mounted and fixed on a moving stage, and performs laser irradiation while moving in the narrow direction of the linear irradiation laser beam, that is, in the x direction. When the amorphous or polycrystalline silicon film 5 is irradiated with laser light, the amorphous or polycrystalline silicon film 5
Is absorbed by the laser beam, heated and melted into a rectangle.
At this time, the longitudinal direction of the irradiation laser beam, that is, the y direction is
Since the intensity distribution of the laser beam 2 is uniform, no temperature gradient occurs,
A temperature gradient occurs only in the x direction. When the melted portion is crystallized, the crystal grows in accordance with the temperature gradient, so that the crystal grows in one direction in the moving direction of the substrate 50, that is, in the x direction, and large crystal grains having a crystal grain size of about several μm are formed.
【0010】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
膜トランジスタを製造するには、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、ビームの強度分布を成型した
後、転写光学系等を用いて照射レーザビームの形状を成
型していたため、光学部品が多く必要でかつ、設置面積
が大きくなった。In the case of performing heat treatment using a rectangular beam in the heat treatment using a laser as a light source, the profile in the width direction greatly affects the recrystallization growth process, and the distribution in the longitudinal direction affects the region where the crystal grows. In order to manufacture a thin film transistor excellent in the above, an appropriate profile must be selected. However, in the conventional optical system for forming a linear beam, after shaping the beam intensity distribution, the shape of the irradiation laser beam is shaped using a transfer optical system or the like. The area has increased.
【0011】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結晶性に
優れた薄膜を形成するためにレーザ光照射プロファイル
を制御できるレーザ光学系を提供し、さらにも小型で高
性能なレーザアニーリング装置を提供しようとするもの
である。The present invention has been made in order to solve such problems, and provides a laser optical system capable of controlling a laser beam irradiation profile in order to form a thin film having excellent crystallinity in a laser heat treatment method. Another object of the present invention is to provide a small and high-performance laser annealing apparatus.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光学系
は、レーザビームを半導体膜上面に照射レーザビームの
形状を長方形にして照射するために、強度分布成形手段
が、レーザビーム光軸に垂直面内の一方向に該半導体膜
上でレーザビームの集光させる集光レンズと、該垂直面
内の当該一方向に直交する直交方向にはレーザビームの
一部を複数回反射させた後重ね合わせて半導体膜上に直
接照射する導波路、とから構成するもので、半導体膜表
面に照射レーザビームを当該一方向に走査することによ
り半導体膜を加熱溶融して多結晶化する。According to the laser optical system of the present invention, in order to irradiate a laser beam onto the upper surface of a semiconductor film in the form of a rectangular laser beam, the intensity distribution shaping means must be perpendicular to the laser beam optical axis. A condensing lens for condensing a laser beam on the semiconductor film in one direction in a plane, and overlapping after reflecting a part of the laser beam a plurality of times in a direction perpendicular to the one direction in the vertical plane And a waveguide that directly irradiates the semiconductor film. The semiconductor film is heated and melted and polycrystallized by scanning the surface of the semiconductor film with an irradiation laser beam in the one direction.
【0013】強度分布成形手段は、上記の一方向、即ち
x方向に集光する円筒レンズと、円筒レンズからのレー
ザビームを上記の直交方向、即ちy方向についてのみ反
射を繰り返す反射面を有する導波路と、を一体にしたも
のが利用できる。The intensity distribution shaping means has a cylindrical lens for converging light in the above-mentioned one direction, ie, the x direction, and a reflecting surface having a reflection surface which repeats reflection of the laser beam from the cylindrical lens only in the above-mentioned orthogonal direction, ie, the y direction. An integrated wave path can be used.
【0014】このような強度分布成形手段を複数配置し
て、複数の長方形又は線状の照射レーザビームをその長
手方向に配列して1回のパスでの照射面積を広くするこ
ともできる。本発明においては、レーザ発振器と複数の
レーザビームのそれぞれに強度分布成形手段を備え、複
数の照射レーザビームを基板ないしは半導体膜上面に配
列する。By arranging a plurality of such intensity distribution shaping means and arranging a plurality of rectangular or linear irradiation laser beams in the longitudinal direction thereof, the irradiation area in one pass can be widened. In the present invention, a laser oscillator and a plurality of laser beams are each provided with an intensity distribution shaping means, and a plurality of irradiation laser beams are arranged on the substrate or the upper surface of the semiconductor film.
【0015】好ましくは、複数の強度分布成形手段によ
り、成型された照射レーザビームが長手方向にほぼ一直
線に並べられる。上記の複数の照射レーザビームが、相
隣接する照射レーザビーム同士で重なり合わない配列と
することもできる。[0015] Preferably, the formed irradiation laser beams are arranged substantially straight in the longitudinal direction by a plurality of intensity distribution forming means. The plurality of irradiation laser beams may be arranged so that adjacent irradiation laser beams do not overlap with each other.
【0016】本発明のレーザ光学系は、半導体膜とし
て、ケイ素膜に適用され、これにより、液晶テ゛イスプレ
ーの画素部などに利用される薄膜トランジスタを形成す
るためのケイ素基板として利用することができる。The laser optical system of the present invention is applied to a silicon film as a semiconductor film, so that it can be used as a silicon substrate for forming a thin film transistor used for a pixel portion of a liquid crystal display.
【0017】レーザ発振器には、350nm〜800n
mの間の発振波長のレーザ光を放射するものが、ケイ素
膜の膜厚方向への均一加熱のために、好ましい。このよ
うな波長のレーザ光の発振器には、固体レーザの高調波
が利用される。In the laser oscillator, 350 nm to 800 n
A device that emits a laser beam having an oscillation wavelength of m is preferable for uniform heating in the thickness direction of the silicon film. A harmonic of a solid-state laser is used as an oscillator for laser light having such a wavelength.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】実施の形態1.この実施形態は、
強度分布成形手段30に、レーザ発振器1から放射され
たレーザビームを集光レンズとして円筒レンズ32と、
この円筒レンズ32の先側にに配置した導波路33とか
ら成り、レーザ発振器1との組合せて、レーザ光学系を
構成している。レーザ光学系は、加熱処理の使用時に
は、強度分布成形手段30の導波路33の先側に、処理
すべきケイ素膜を予め被膜形成した基板50とが配置さ
れ、基板50は、通常は、ステージ(不図示)上に載置
固定され、ステージ又はこのレーザ光学系のいずれかを
走査機構により相対的に走査移動可能として、レーザア
ニーリング装置される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 This embodiment is
A cylindrical lens 32 as a condensing lens for the laser beam emitted from the laser oscillator 1;
And a waveguide 33 arranged on the front side of the cylindrical lens 32, and in combination with the laser oscillator 1, constitutes a laser optical system. In the laser optical system, when a heat treatment is used, a substrate 50 on which a silicon film to be processed is formed in advance is arranged on the front side of the waveguide 33 of the intensity distribution shaping means 30. The laser annealing apparatus is mounted and fixed on a (not shown), and allows either the stage or the laser optical system to relatively scan and move by a scanning mechanism.
【0019】強度分布成形手段30について、図1に示
すが、集光レンズ32には、円筒レンズを使用するが円
筒レンズは、光軸側に集光可能で且つy方向に平行な軸
(y軸)廻りの円筒面にした凸面を片面に形成してあ
る。円筒レンズは、x方向にのみ集光する。円筒レンズ
は、導波路の入射側に配置され、この例は、密接されて
いる。FIG. 1 shows the intensity distribution shaping means 30. As shown in FIG. 1, a cylindrical lens is used as the condenser lens 32. The cylindrical lens is capable of condensing light on the optical axis side and has an axis (y) parallel to the y direction. A convex surface which is a cylindrical surface around (axis) is formed on one surface. The cylindrical lens focuses light only in the x direction. A cylindrical lens is placed on the entrance side of the waveguide, and this example is close.
【0020】他方の導波路33は、y方向に対面する反
射面を平行に又はテーパ状に備えた透明の中実なブロッ
クが利用でき、ブロックは、例えば、透明なガラスで形
成され、反射面は、透明体の全反射面とするか、鏡面と
される。ブロックに代えて、導波路33は、空間に1対
の反射鏡をy方向に平行に、又は、1対の反射鏡を傾斜
状ないしテーパ状に対向させた中空体も利用できる。As the other waveguide 33, a transparent solid block provided with a reflecting surface facing in the y direction in parallel or in a tapered shape can be used, and the block is formed of, for example, transparent glass. Is a total reflection surface of a transparent body or a mirror surface. Instead of a block, the waveguide 33 can also be a hollow body in which a pair of reflecting mirrors are arranged in space in parallel with the y direction, or a pair of reflecting mirrors are inclined or tapered.
【0021】さらに、この例は、強度分布成形手段30
に、レーザ発振器1からのビームを発散させて、集光レ
ンズ32のレンズ面域に拡大する発散レンズ34(この
例は、凹レンズ)が、発散レンズ34の背後(入射側)
に配置されている。Further, in this example, the strength distribution forming means 30
In addition, a diverging lens 34 (in this example, a concave lens) that diverges the beam from the laser oscillator 1 and expands the lens surface area of the condenser lens 32 is located behind the diverging lens 34 (incident side).
Are located in
【0022】このような強度分布成形手段において、図
1に示すように、レーザ発振器1からのレーザビーム2
が発散レンズ34を透過した光は、集光レンズ32に向
けて発散され、集光レンズ32である円筒レンズに入射
したレーザ光は、x方向には、湾曲した円筒面により屈
折されて、図1(A)において、x方向には収束して、
導波路33の内部の空間又はブロック透明体を通過し、
この例は、ケイ素膜5表面にほぼ集光する。しかし、他
方のy方向には、図1(B)に示すように、発散レンズ
34からの発散して入射したレーザ光は、集光レンズ3
2の円筒レンズでは、それほど屈折せずに、導波路33
に入射し、入射光の一部が導波路33の反射面の間で、
反射を繰り返しながら合成されて、導波路33からのy
方向成分は、強度分布は一様で且つ長く伸びている。こ
のようにして、ケイ素膜5表面に投射された照射レーザ
ビームは、図1(D)に示すように、ケイ素膜照射面C
上で、照射レーザビーム形状が長方形状又は線状であ
り、y方向に一様な強度分布YCを示し、x方向には、
急峻なピーク状の強度分布XCを示している。In such an intensity distribution shaping means, as shown in FIG.
The light transmitted through the diverging lens 34 is diverged toward the condenser lens 32, and the laser light incident on the cylindrical lens, which is the condenser lens 32, is refracted by the curved cylindrical surface in the x direction. In 1 (A), the light converges in the x direction,
Passing through the space or block transparent body inside the waveguide 33,
In this example, the light is almost condensed on the surface of the silicon film 5. However, in the other y direction, as shown in FIG. 1B, the divergent laser light entering from the diverging lens 34
The second cylindrical lens does not refract so much,
And a part of the incident light is between the reflection surfaces of the waveguide 33,
It is synthesized while repeating reflection, and y
The directional component has a uniform and long intensity distribution. The irradiation laser beam projected on the surface of the silicon film 5 in this way is, as shown in FIG.
Above, the irradiation laser beam shape is rectangular or linear, shows a uniform intensity distribution YC in the y direction, and in the x direction,
A steep peak-like intensity distribution XC is shown.
【0023】本発明の光学系は、非晶質又は結晶質のケ
イ素膜に照射して、粗大で健全な結晶化を図るものであ
るが、このようなケイ素膜は、好ましくは、基板上に被
膜形成した非晶質ケイ素の被膜が利用できる。ケイ素膜
には、例えば、LPCVD(Low Pressure Chemical Va
por Deposition)法により成膜することができる。この
ようなケイ素膜は、石英ガラスの基板50上に予め下地
膜51として例えば厚さ200nm程度の酸化ケイ素膜
がCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成
され、この下地層の上に厚さ50nm程度に成形され
る。The optical system of the present invention irradiates an amorphous or crystalline silicon film to achieve coarse and sound crystallization. Such a silicon film is preferably formed on a substrate. A coated amorphous silicon coating can be used. For example, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor)
The film can be formed by a por deposition method. For such a silicon film, a silicon oxide film having a thickness of, for example, about 200 nm is formed in advance as a base film 51 on a quartz glass substrate 50 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a thickness of about 50 nm is formed on the base layer. Molded into
【0024】基板50は、ステージに載置固定されてお
り、ステージには、走査可能な走査機構を備えて一方向
または直交二方向に移動可能にされている。レーザ照射
は、照射レーザビームをその狭幅方向、即ち、x方向に
基板上のケイ素膜上を移動させながら行う。The substrate 50 is mounted and fixed on a stage. The stage is provided with a scanning mechanism capable of scanning and is movable in one direction or two orthogonal directions. The laser irradiation is performed while moving the irradiation laser beam in the narrow direction, that is, the x direction, on the silicon film on the substrate.
【0025】本発明の光学系の利用においては、非晶質
または多結晶のケイ素膜5にレーザ光が照射されると、
このケイ素膜5は、レーザ光を吸収して照射部位が照射
レーザビームの長方形状に対応して加熱され、温度が一
旦融点を越えると溶融される。In the use of the optical system of the present invention, when the amorphous or polycrystalline silicon film 5 is irradiated with laser light,
The silicon film 5 absorbs the laser beam and is heated at the irradiation site corresponding to the rectangular shape of the irradiation laser beam, and is melted once the temperature exceeds the melting point.
【0026】本発明においては、照射レーザビーム形状
が長方形ないし線状の強度分布を有する照射レーザビー
ムをケイ素膜上に照射するので溶融部位が形成され、つ
いで照射レーザビームは狭幅方向に(x方向に)移動し
て、加熱溶融部位のケイ素膜は、照射レーザビームが遠
ざかるにつれて順次冷却され、こうして溶融部位は走査
方向に温度勾配を生じる。このとき照射レーザビーム
は、その長手方向即ちy方向には強度分布が均一である
のでy方向には、実質的には温度勾配は生じないから、
x方向のみ温度勾配が生じる。この溶融部位が結晶化す
るとき、結晶はこの温度勾配をに従って成長し、従っ
て、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る。In the present invention, the irradiation laser beam having a rectangular or linear intensity distribution is irradiated onto the silicon film so that a molten portion is formed. Then, the irradiation laser beam is applied in the narrow direction (x Moving in the direction), the silicon film at the heated melt site cools sequentially as the irradiated laser beam moves away, thus creating a temperature gradient in the scan direction at the melt site. At this time, the irradiation laser beam has a uniform intensity distribution in the longitudinal direction, that is, the y direction, so that substantially no temperature gradient occurs in the y direction.
A temperature gradient occurs only in the x direction. When the melted portion crystallizes, the crystal grows according to this temperature gradient, so that it becomes one-dimensional growth (unidirectional growth) in the moving direction of the substrate 50, that is, in the x-direction. Crystal grains as large as about μm are formed.
【0027】このx方向への優先成長の過程は、非晶質
または多結晶であるケイ素膜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、すなわち、照射され
る長方形ビームの幅方向の強度分布に大きく影響され
る。レーザビーム照射によりケイ素膜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、非晶質ま
たは多結晶のケイ素膜5内のx方向温度分布は一様に低
下していく。従って、先に温度が融点より下がった部位
から、後に温度が融点より下がる部位へ向かって横方向
に結晶が成長していく。そしてこの結晶成長は、温度が
低下す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、ケイ素膜内のx方向について、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
が大きく、その結果、ケイ素膜は、結晶粒径の大きい多
結晶が生成し、結晶性に優れた薄膜を形成することがで
き、高性能の薄膜トランジスタ用のケイ素基板に利用す
ることができる。The process of preferential growth in the x direction is greatly affected by the temperature distribution formed in the x direction in the amorphous or polycrystalline silicon film 5, ie, in the width direction of the irradiated rectangular beam. Greatly influenced by the intensity distribution of The heat introduced into the silicon film 5 by the laser beam irradiation is uniformly dissipated to the substrate. That is, the temperature distribution in the x direction in the amorphous or polycrystalline silicon film 5 decreases uniformly. Therefore, the crystal grows laterally from a portion where the temperature first falls below the melting point to a portion where the temperature falls below the melting point first. This crystal growth is stopped by microcrystals grown by the generation of natural nuclei in the process of lowering the temperature, and the crystal growth in the x direction is stopped. In other words, it is only necessary that the crystal grains grow as long as possible until the time when the natural nucleation occurs. For that purpose, a high crystal growth rate is required. Generally, the crystal growth rate v in a certain minute region is represented by v = kΔT / Δx. Here, k is a rate constant, ΔT is a temperature difference in a minute region, and Δx is a width of the minute region. In other words, in the x direction in the silicon film, if the temperature distribution in a region having a temperature equal to or higher than the melting point has a steep gradient, the crystal growth rate is high, and as a result, a polycrystal having a large crystal grain size is generated in the silicon film. In addition, a thin film having excellent crystallinity can be formed and can be used for a silicon substrate for a high-performance thin film transistor.
【0028】この実施の形態に示した光学系では、照射
レーザビームの狭幅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ので、照射レーザ
ビームは、発振レーザ光2の性質で制限される限界まで
集光でき、ケイ素膜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、ケイ素膜5内にx方向温度分布のコントロー
ルが可能となる。In the optical system shown in this embodiment, since the beam intensity distribution in the narrow direction of the irradiation laser beam preserves the properties such as the directivity of the oscillation laser beam 2, the irradiation laser beam is emitted by the oscillation laser beam. Light can be collected to the limit limited by the properties of the light 2, a maximum intensity gradient can be obtained on the silicon film 5, and an arbitrary intensity distribution equal to or less than the maximum intensity gradient can be obtained. It is possible to control the temperature distribution in the x direction.
【0029】本発明におけるレーザ発振器は320nm
〜800nmの間に発振波長を有するレーザが使用され
る。320nm〜800nmの波長のレーザ光は、特
に、非晶質珪素に対する吸収係数が比較的小さく、従っ
て、ケイ素膜は、膜厚方向にレーザ光が浸透して内部ま
で膜厚方向にほぼ均一に加熱され、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または
多結晶のケイ素膜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。上記波長範囲のレーザ光
をしようして、ケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱でき、
結晶性に優れた薄膜が得られる。The laser oscillator according to the present invention has a wavelength of 320 nm.
A laser having an oscillation wavelength between 800800 nm is used. Laser light having a wavelength of 320 nm to 800 nm particularly has a relatively small absorption coefficient with respect to amorphous silicon. Therefore, the silicon film is substantially uniformly heated in the film thickness direction to the inside by penetration of the laser light in the film thickness direction. The lateral temperature distribution in the silicon film generated by the laser irradiation is formed only in the x direction. Therefore, the beam portion having a certain intensity or higher in the amorphous or polycrystalline silicon film 5 as the film material on the substrate is melted in the entire depth direction. Using the laser light in the above wavelength range, the thickness direction of the silicon film can be uniformly heated,
A thin film having excellent crystallinity can be obtained.
【0030】この波長範囲のレーザとして、固体レーザ
高調波発生源が利用できる。これには、Nd:YAGレ
ーザの第2高調波(532nm)や第3高調波(355
nm)、Nd:YLFレーザの第2高調波(524n
m)や第3高調波(349nm)、あるいはYb:YA
Gレーザの第2高調波(515nm)や第3高調波(3
44nm)を用いられる。Ti:サファイアレーザの基
本波または第2高調波を用いてもよい。固体レーザを用
いることで、320nm〜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ると共
に、長時間安定した動作が可能になる。As a laser in this wavelength range, a solid-state laser harmonic generation source can be used. This includes the second harmonic (532 nm) and the third harmonic (355 nm) of the Nd: YAG laser.
nm), the second harmonic of the Nd: YLF laser (524n
m), the third harmonic (349 nm), or Yb: YA
The second harmonic (515 nm) and the third harmonic (3
44 nm). Ti: A fundamental wave or a second harmonic of a sapphire laser may be used. By using a solid-state laser, laser light having an oscillation wavelength between 320 nm and 800 nm can be efficiently obtained with a compact device, and stable operation can be performed for a long time.
【0031】実施の形態2.図2は、強度分布成形手段
30を、実施の形態1に示した集光レンズ32と導波路
33を一体部品で形成した例を示している。この例は、
強度分布成形手段30には、透明ブロックを使用して、
入射側の端面35が、y軸廻りの部分円筒面で形成さ
れ、側部は、y方向に対面する平行ないしテーパ状にさ
れた1対の反射面34、34を備え、照射端面36は、
平面としている。この例では、強度分布成形手段30
が、基板上のケイ素膜に照射端面が近接して配置されて
いる。Embodiment 2 FIG. 2 shows an example in which the condensing lens 32 and the waveguide 33 shown in the first embodiment are formed as an integral part of the intensity distribution shaping means 30. This example
The intensity distribution molding means 30 uses a transparent block,
The incident-side end face 35 is formed of a partial cylindrical surface around the y-axis, and the side part includes a pair of parallel or tapered reflecting surfaces 34, 34 facing in the y-direction.
It is a plane. In this example, the intensity distribution forming means 30
However, the irradiation end face is arranged close to the silicon film on the substrate.
【0032】この光学系は、強度分布成形手段30を一
体化することを除いて、実施の形態1.て゜述べたのと
同様であり、照射レーザビームの非晶質または多結晶の
ケイ素膜5に対する作用は、実施の形態1に述べたのと
同様であるが、このように強度分布成形手段30を一体
化することにより、光学部品数を削減でき、小型、低コ
スト化が可能になるとともに、光学系の調整も容易にな
る。This optical system is similar to that of the first embodiment except that the intensity distribution shaping means 30 is integrated. The effect of the irradiation laser beam on the amorphous or polycrystalline silicon film 5 is the same as that described in the first embodiment. By integrating, the number of optical components can be reduced, the size and cost can be reduced, and the adjustment of the optical system becomes easy.
【0033】実施の形態3.実施の形態1で述べた光学
系のレーザ発振器1と強度分布成形手段30とから成る
レーザ光学系を1組として、複数組のレーザ光学系を並
列してレーザ光学系を構成することができる。これによ
り、長方形状の照射レーザの照射エネルギー密度を変え
ないで、その強度分布を伸ばして照射レーザビームの長
さを延長することができる。Embodiment 3 A laser optical system including the laser oscillator 1 of the optical system described in the first embodiment and the intensity distribution shaping means 30 is regarded as one set, and a plurality of sets of laser optical systems can be configured in parallel. This makes it possible to extend the intensity distribution of the irradiation laser beam without changing the irradiation energy density of the irradiation laser beam of the rectangular shape, thereby extending the length of the irradiation laser beam.
【0034】図3は、このレーザ光学系を示すが、この
例では3組のレーザ光学光学系を使用して、レーザ発振
器1a、1b、1cから放射されたそれぞれのレーザビ
ーム2a,2b,2cは、それぞれ、発散光学系34
a,34b,34c、強度分布成形手段30a,30
b,30cを通過し、非晶質または多結晶のケイ素膜5
上に照射される。各照射レーザビームの非晶質または多
結晶のケイ素膜5に対する作用は、実施の形態1に述べ
たのと同様であるが、この実施形態においては、各照射
レーザビーム形状が長方形ないし線状の強度分布を有
し、複数の照射レーザビームをビーム長手方向に配列し
てケイ素膜上に照射することができるので、ケイ素膜に
は、単一の照射レーザビームに対して数倍長手方向に拡
張された長さの溶融部位が形成される。この溶融部位
は、照射レーザビームが、狭幅方向に(x方向に)移動
して遠ざかるにつれて次第に冷却され凝固するが、こう
して溶融部位は、走査方向に向って温度勾配を生じる。
このとき、複数の長手方向に配列した照射レーザビーム
は、その長手方向即ちy方向には強度分布を均一にする
ことができ、従って、y方向には、実質的には温度勾配
は生じないから、x方向のみ温度勾配が生じる。この溶
融部位が結晶化するとき、結晶はこの温度勾配をに従っ
て成長し、従って、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ないし十数μm程度と大きな結晶粒が形成される。FIG. 3 shows this laser optical system. In this example, three sets of laser optical systems are used, and the respective laser beams 2a, 2b, 2c emitted from the laser oscillators 1a, 1b, 1c are used. Are divergent optical systems 34, respectively.
a, 34b, 34c, strength distribution forming means 30a, 30
b, 30c and an amorphous or polycrystalline silicon film 5
Irradiated on top. The effect of each irradiation laser beam on the amorphous or polycrystalline silicon film 5 is the same as that described in the first embodiment, but in this embodiment, each irradiation laser beam has a rectangular or linear shape. It has an intensity distribution and can irradiate a silicon film by arranging multiple irradiation laser beams in the longitudinal direction of the beam. The length of the melted portion is formed. The melted portion gradually cools and solidifies as the irradiated laser beam moves in the narrow direction (in the x-direction) and moves away, thus causing a temperature gradient in the scan direction.
At this time, the irradiation laser beams arranged in a plurality of longitudinal directions can have a uniform intensity distribution in the longitudinal direction, that is, the y direction, and therefore, there is substantially no temperature gradient in the y direction. , A temperature gradient occurs only in the x direction. When the melted portion crystallizes, the crystal grows according to this temperature gradient, so that it becomes one-dimensional growth (unidirectional growth) in the moving direction of the substrate 50, that is, in the x-direction. Large crystal grains of about μm to about several tens μm are formed.
【0035】このように複数組の光学系の並列により基
板50上には、1回のパスで大きな面積のレーザ光照射
が可能となるので、生産性が向上できる利点がある。。By arranging a plurality of sets of optical systems in parallel, a large area of laser light can be irradiated on the substrate 50 in a single pass, which has the advantage of improving productivity. .
【0036】実施の形態4.図4及び図5は、実施の形
態4の示した複数の光学系の並列により構成したレーザ
光学系による非晶質または多結晶のケイ素膜5上の照射
レーザビームの配置を示している。Embodiment 4 FIG. FIGS. 4 and 5 show the arrangement of the irradiation laser beam on the amorphous or polycrystalline silicon film 5 by the laser optical system constituted by the parallel arrangement of the plurality of optical systems shown in the fourth embodiment.
【0037】上記の実施の形態3の図3に示したよう
に、複数組の光学系を使用して、強度分布成形手段30
a〜30cからの基板50上での照射レーザビーム8a
〜8cを、ビーム長手方向(y方向)に直線状に並ぶよ
うに配列されている。この本実施の形態で用いる強度分
布成形手段30は、導波路33の照射端面36が、非晶
質または多結晶のケイ素膜5に密着できずに離間してい
るので、照射レーザビームのy方向の強度分布の周辺部
がなだらかになる。そこで、照射レーザビーム(例え
ば、8a)の周辺部を、隣接する他の強度分布成形手段
からの照射レーザビーム(例えば、8b)の周辺部と適
当に重ねるように配置して、複数の強度分布成形手段3
0a〜30cから放出されたレーザ光を非晶質または多
結晶のケイ素膜5上でy方向にほぼ均一に合成すること
ができる。As shown in FIG. 3 of the third embodiment, the intensity distribution shaping means 30 is formed by using a plurality of sets of optical systems.
Irradiation laser beam 8a on substrate 50 from a to 30c
To 8c are arranged in a straight line in the beam longitudinal direction (y direction). In the intensity distribution shaping means 30 used in the present embodiment, the irradiation end face 36 of the waveguide 33 is spaced apart from the amorphous or polycrystalline silicon film 5 without being in close contact with the amorphous film or the polycrystalline silicon film 5. Of the intensity distribution becomes gentle. Therefore, the peripheral portion of the irradiation laser beam (for example, 8a) is disposed so as to appropriately overlap with the peripheral portion of the irradiation laser beam (for example, 8b) from another adjacent intensity distribution shaping means, and a plurality of intensity distributions are provided. Forming means 3
Laser light emitted from Oa to 30c can be synthesized almost uniformly in the y direction on the amorphous or polycrystalline silicon film 5.
【0038】図5は、基板50上のケイ素膜上での照射
レーザビーム8a〜8cを重ならないように互い違いに
配列することもできる。即ち、照射レーザビームをx方
向に移動させたケイ素膜上の照射範囲において、照射レ
ーザビーム(例えば、8b)の周辺部82の強度分布
と、これと隣接する照射レーザビーム8a、8cの均一
な強度分布の領域81とが適当に重ねるように配置し
て、x方向への照射経路上において照射ビームのy方向
の均一な強度分布の領域81を重複させるのである。こ
の条件のもとで、互いに隣接する照射レーザビームを重
ならないで且つ近接するようにすれば、ケイ素膜5に対
する入熱をy方向に実質的に均一化できて、x方向への
一方向性結晶成長を確保することができ、これにより、
1回のパスで照射レーザビーム幅に対応する広幅の結晶
化帯が得られる。さらに、レーザビームの重なり合いに
よる高いレーザ強度に起因して生じるケイ素膜5の損傷
を予防することができる。In FIG. 5, the irradiation laser beams 8a to 8c on the silicon film on the substrate 50 can be alternately arranged so as not to overlap. That is, in the irradiation range on the silicon film where the irradiation laser beam is moved in the x direction, the intensity distribution of the peripheral portion 82 of the irradiation laser beam (for example, 8b) and the uniformity of the irradiation laser beams 8a and 8c adjacent thereto are uniform. The region 81 of the intensity distribution is arranged so as to be appropriately overlapped, and the region 81 of the uniform intensity distribution in the y direction of the irradiation beam is overlapped on the irradiation path in the x direction. Under these conditions, if the irradiation laser beams adjacent to each other are not overlapped and are close to each other, the heat input to the silicon film 5 can be substantially uniformized in the y direction, and the unidirectionality in the x direction can be improved. Crystal growth can be ensured,
In one pass, a wide crystallization zone corresponding to the irradiation laser beam width is obtained. Further, it is possible to prevent the silicon film 5 from being damaged due to the high laser intensity due to the overlapping of the laser beams.
【0039】このような照射レーザビーム8a〜8cの
互い違いに配列することは、図3において、例えば、レ
ーザビーム2a〜2c光軸の角度を、x方向に互いにわ
ずかにずらすことによって実現できる。The staggering of the irradiation laser beams 8a to 8c can be realized by, for example, slightly shifting the optical axes of the laser beams 2a to 2c in the x direction in FIG.
【0040】実施の形態5.レーザアニーリング装置
は、上記のレーザ光学系にケイ素膜を形成した基板を固
定載置するためのステージと、レーザ光学系又はステー
ジを走査するための走査機構を備えて構成される。走査
機構は、ステージをx−y二方向に走査させるのが好ま
しく、固定されたレーザ光学系から走査ステージ上に載
置した基板のケイ素膜に長方形上のレーザビームを照射
し、走査ステージによりケイ素膜を走査させる。走査
は、照射レーザビームのx方向に移動して、照射レーザ
ビームの長さを幅とするケイ素膜の結晶化帯を形成し、
幅間隔で、照射レーザビームをケイ素膜の所要の面域全
面を掃引して、大きな結晶粒を備えた多結晶ケイ素膜に
調製するのである。Embodiment 5 The laser annealing apparatus includes a stage for fixedly mounting the substrate on which the silicon film is formed on the laser optical system, and a scanning mechanism for scanning the laser optical system or the stage. The scanning mechanism preferably scans the stage in two directions, x and y, and irradiates a rectangular laser beam to the silicon film of the substrate mounted on the scanning stage from a fixed laser optical system, and scans the silicon with the scanning stage. Scan the membrane. The scanning moves in the x direction of the irradiation laser beam to form a crystallization zone of a silicon film having a width of the irradiation laser beam,
The irradiation laser beam is swept across the required surface area of the silicon film at intervals of the width to prepare a polycrystalline silicon film having large crystal grains.
【0041】[0041]
【発明の効果】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の断面強度分布を成形して
基板上の半導体膜上に照射された照射レーザビーム形状
を長方形に形成する強度分布成形手段を含むレーザ光学
系を備え、強度分布成形手段が、レーザビーム光軸に垂
直面内の一方向に該半導体膜上でレーザビームの集光さ
せる集光レンズと、該垂直面内の当該一方向に直交する
直交方向にはレーザビームの一部を複数回反射させた後
重ね合わせて半導体膜上に直接照射する導波路、とから
構成したので、長手方向に均一な強度分布を有する照射
レーザビームが、少ない光学部品数で実現でき、レーザ
光学系の小型化とコスト低減に有効である。According to the laser optical system of the present invention, the intensity distribution for forming a cross-sectional intensity distribution of a laser beam emitted from a laser oscillator to form an irradiation laser beam shape irradiated on a semiconductor film on a substrate into a rectangular shape. A laser optical system including shaping means, wherein the intensity distribution shaping means focuses the laser beam on the semiconductor film in one direction in a plane perpendicular to the laser beam optical axis; A waveguide that reflects a part of the laser beam a plurality of times in the orthogonal direction orthogonal to one direction, and then superimposes and directly irradiates the semiconductor film directly onto the semiconductor film, so that the irradiation has a uniform intensity distribution in the longitudinal direction. A laser beam can be realized with a small number of optical components, which is effective for reducing the size and cost of a laser optical system.
【0042】レーザアニーリング光学を、強度分布成形
手段が円筒レンズと導波路とにより一体に構成すれば、
光学部品を削減でき、小型、低コスト化が一層可能にな
る。In the laser annealing optics, if the intensity distribution shaping means is constituted integrally by the cylindrical lens and the waveguide,
The number of optical components can be reduced, and the size and cost can be further reduced.
【0043】レーザ光学系を複数のレーザ発振器に対応
する同数の強度分布成形手段により構成すれば、強度分
布成形手段を長手方向に配列して、1回の走査パスで、
大きな面積のレーザ光照射が可能となり、生産性を向上
できる。If the laser optical system is constituted by the same number of intensity distribution shaping means corresponding to a plurality of laser oscillators, the intensity distribution shaping means are arranged in the longitudinal direction, and one scanning pass can be performed.
Laser light irradiation of a large area becomes possible, and productivity can be improved.
【0044】さらに、複数の強度分布成形手段により、
複数の照射レーザビームが長手方向にほぼ一直線に配列
させれば、1回の走査パスで、大きな面積のレーザ光照
射が可能となり、広幅の照射レーザビームを長手方向で
均一な照射光強度が得られ、均一な多結晶の半導体膜の
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。Further, by a plurality of intensity distribution forming means,
By arranging a plurality of irradiation laser beams almost in a straight line in the longitudinal direction, it is possible to irradiate a large area of laser light in one scanning pass, and obtain a uniform irradiation light intensity in the longitudinal direction with a wide irradiation laser beam. As a result, a uniform polycrystalline semiconductor film can be formed, and a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor can be formed.
【0045】さらに、複数の強度分布成形手段からの照
射レーザビームが重ならないように構成としたので、1
回の走査パスで、大きな面積のレーザ光照射が可能とな
り、広生産性が向上できるとともに、広幅の照射レーザ
ビームをy方向でほぼ均一な照射光強度が得られ、均一
な多結晶の半導体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。Further, since the irradiation laser beams from the plurality of intensity distribution shaping means are configured not to overlap,
In a single scanning pass, laser light irradiation of a large area becomes possible, wide productivity can be improved, and a substantially uniform irradiation light intensity can be obtained in the y direction with a wide irradiation laser beam, and a uniform polycrystalline semiconductor film can be obtained. Can be formed, and a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor can be formed.
【0046】レーザ光学系は、半導体膜として、ケイ素
膜に適用され、これにより、液晶ディスプレーの画素部
などに利用される高速薄膜トランジスタを形成するため
のケイ素基板として利用することができる。The laser optical system is applied to a silicon film as a semiconductor film, so that it can be used as a silicon substrate for forming a high-speed thin film transistor used for a pixel portion of a liquid crystal display.
【0047】さらに、レーザ発振器の発振波長を、35
0nm〜800nmの範囲にすれば、特に、非晶質のケ
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。Further, the oscillation wavelength of the laser oscillator is set to 35
When the thickness is in the range of 0 nm to 800 nm, in particular, the thickness direction of the amorphous silicon film can be uniformly heated, and a thin film having excellent crystallinity required for manufacturing a high-performance thin film transistor by a laser heat treatment method can be obtained. Can be
【0048】レーザ発振器に、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るととも
に、非晶質また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。If a harmonic of a solid-state laser is used for the laser oscillator, the laser oscillator can be made compact and the thickness direction of the amorphous or polycrystalline silicon film can be uniformly heated. The thin film having excellent crystallinity required for manufacturing the thin film transistor of the above is obtained.
【0049】本発明のレーザアニーリング装置は、上記
レーザ光学系を、レーザ発振器と共に、基板を載置固定
するステージと組み合わせて、ステージ又は光学系の相
対移動により、該照射レーザビームを基板上のケイ素膜
表面に照射レーザビームを一方向に走査して上記のケイ
素膜を多結晶化するようにしたので、大きな結晶粒を備
えて且つ格子欠陥密度の少ない多結晶化ケイ素膜が得ら
れ、薄膜トランジスタを製造する利用でき、しかも、装
置は、光学系の少ない光学部品数で実現でき、装置の小
型と低コスト化が可能になる。In the laser annealing apparatus of the present invention, the laser optical system is combined with a laser oscillator and a stage for mounting and fixing a substrate, and the irradiation laser beam is irradiated on a silicon substrate by relative movement of the stage or the optical system. Since the silicon film is polycrystallized by scanning the irradiation laser beam in one direction on the film surface, a polycrystallized silicon film having large crystal grains and a low lattice defect density is obtained. The device can be manufactured and used, and the device can be realized with a small number of optical components having a small number of optical systems, and the size and cost of the device can be reduced.
【図1】 本発明の実施の形態に掛かるレーザ光学系の
模式的な断面図(A、B)と、レーザ発振器からのレー
ザビームの強度分布(C)とケイ素膜上の照射レーザビ
ームの強度分布(D)を示す。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (A, B) of a laser optical system according to an embodiment of the present invention, an intensity distribution (C) of a laser beam from a laser oscillator, and an intensity of an irradiation laser beam on a silicon film. The distribution (D) is shown.
【図2】 本発明の別の実施の形態に係るレーザ光学系
の図1同様図。FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 of a laser optical system according to another embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の別の実施の形態のレーザ光学系の断
面図を示す。FIG. 3 is a sectional view of a laser optical system according to another embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の実施形態に係るレーザ光学系による
ケイ素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 silicon film by a laser optical system according to an embodiment of the present invention.
【図5】本発明の別の実施形態に係るレーザ光学系によ
るケイ素膜上の照射レーザビームの強度分布を示す。FIG. 5 shows an intensity distribution of an irradiation laser beam on a silicon film by a laser optical system according to another embodiment of the present invention.
【図6】 レーザ光学系の模式的な断面図(A)、その
部分断面図(B)、レーザ発振器からのレーザビームの
強度分布(C)、強度分布成形手段出口での同分布強度
(D)及びケイ素膜上の照射レーザビームの強度分布
(E)を示す。FIG. 6 is a schematic sectional view (A) of the laser optical system, a partial sectional view thereof (B), an intensity distribution (C) of a laser beam from a laser oscillator, and an intensity distribution (D) at an intensity distribution forming means outlet. ) And the intensity distribution (E) of the irradiation laser beam on the silicon film.
1 レーザ発振器、2 レーザビーム、30 強度分布
成形手段、32 集光レンズ、33 導波路、34 発
散光学系、5 ケイ素膜、50 基板。Reference Signs List 1 laser oscillator, 2 laser beam, 30 intensity distribution shaping means, 32 condenser lens, 33 waveguide, 34 divergence optical system, 5 silicon film, 50 substrate.
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 AA02 BA01 BA07 BA18 BB02 BB07 CA07 DA02 DB02 5F072 AB01 AB20 KK12 QQ02 RR03 SS06 YY08 5F110 AA01 AA30 BB02 DD03 DD13 GG02 GG13 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP23Continuation of the front page (72) Inventor Yukio Sato 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsubishi Electric Corporation (72) Inventor Junichi Nishisaki 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsubishi Electric In-house F term (reference) 5F052 AA02 BA01 BA07 BA18 BB02 BB07 CA07 DA02 DB02 5F072 AB01 AB20 KK12 QQ02 RR03 SS06 YY08 5F110 AA01 AA30 BB02 DD03 DD13 GG02 GG13 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP23
Claims (9)
ムの強度分布を成形して基板上に形成された非晶質また
は多結晶の半導体膜上に照射された照射レーザビーム形
状を長方形に形成する強度分布成形手段を含むレーザ光
学系を備え、 強度分布成形手段が、レーザビーム光軸に垂直面内の一
方向に該半導体膜上でレーザビームの集光させる集光レ
ンズと、該垂直面内の当該一方向に直交する直交方向に
はレーザビームの一部を複数回反射させた後重ね合わせ
て半導体膜上に直接照射する導波路、とから成り、半導
体膜表面に照射レーザビームを当該一方向に走査するこ
とにより半導体膜を多結晶化するようにしたレーザアニ
ーリング用レーザ光学系。An intensity for shaping an intensity distribution of a laser beam emitted from a laser oscillator to irradiate an amorphous or polycrystalline semiconductor film formed on a substrate with an irradiation laser beam having a rectangular shape. A laser optical system including a distribution shaping means, wherein the intensity distribution shaping means focuses the laser beam on the semiconductor film in one direction in a plane perpendicular to the laser beam optical axis; A waveguide in which a part of the laser beam is reflected a plurality of times in a direction orthogonal to the one direction and then superimposed and directly irradiated onto the semiconductor film, and the laser beam is irradiated on the surface of the semiconductor film in the one direction. A laser optical system for laser annealing in which a semiconductor film is polycrystallized by scanning in a laser beam.
円筒レンズを含み、導波路が円筒レンズと一体にした請
求項1に記載のレーザ光学系。2. The laser optical system according to claim 1, wherein the intensity distribution shaping means includes a cylindrical lens as a condenser lens, and the waveguide is integrated with the cylindrical lens.
該レーザ発振器に対応する複数の強度分布成形手段と、
を有し、該複数の強度分布成形手段からの長方形状の各
複数の照射レーザビームが照射レーザビーム長手方向に
配列されている請求項1又は2に記載のレーザ光学系。3. An optical system comprising: a plurality of laser oscillators;
A plurality of intensity distribution shaping means corresponding to the laser oscillator;
3. The laser optical system according to claim 1, further comprising: a plurality of irradiation laser beams having a rectangular shape from the plurality of intensity distribution shaping units, which are arranged in a longitudinal direction of the irradiation laser beams.
方向にほぼ一列に配列された請求項3に記載のレーザ光
学系。4. The laser optical system according to claim 3, wherein said plurality of irradiation laser beams are arranged substantially in a line in said longitudinal direction.
接する照射レーザビーム同士で重なり合わない配列とし
た請求3に記載のレーザ光学系。5. The laser optical system according to claim 3, wherein the plurality of irradiation laser beams are arranged so that adjacent irradiation laser beams do not overlap with each other.
し5いずれかに記載のレーザ光学系。6. The laser optical system according to claim 1, wherein the semiconductor film is a silicon film.
mの間の発振波長を有するパルスレーザ発振器である請
求項1ないし6いずれかに記載のレーザ光学系を備えた
レーザ光学系。7. The laser oscillator has a wavelength of 330 nm to 800 n.
A laser optical system comprising the laser optical system according to any one of claims 1 to 6, wherein the laser optical system is a pulsed laser oscillator having an oscillation wavelength between m.
ある請求項7に記載のレーザ光学系8. The laser optical system according to claim 7, wherein the laser oscillator is a harmonic of a solid-state laser.
レーザ光学系及びレーザ発振器と、上記基板を載置固定
するステージとを備え、ステージ又は光学系の相対移動
により、該照射レーザビームを基板上のケイ素膜表面に
照射レーザビームを当該一方向に走査して上記のケイ素
膜を多結晶化するようにしたレーザアニーリング装置。9. A laser optical system and a laser oscillator according to claim 1; and a stage for mounting and fixing the substrate, wherein the irradiation laser beam is moved by relative movement of the stage or the optical system. A laser annealing apparatus that scans the surface of a silicon film on a substrate with an irradiation laser beam in one direction to polycrystallize the silicon film.
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