JP2002343737A - Laser annealing method and device thereof - Google Patents
Laser annealing method and device thereofInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ照射により
基板上のシリコン膜を加熱して結晶粒を成長させるレー
ザアニール方法およびその方法を使用するレーザアニー
ル装置に関する。The present invention relates to a laser annealing method for heating a silicon film on a substrate by laser irradiation to grow crystal grains and a laser annealing apparatus using the method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】レーザの応用の一つとして、液晶ディス
プレイ（ＬＣＤ）等に用いられる薄膜トランジスタ（Ｔ
ｈｉｎ Ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ：ＴＦＴ）へ
のアニールが注目を集めており、例えば特開平４−３７
１４４号にエキシマレーザを照射して特性を改善する
「薄膜トランジスタの作製方法」が開示されている。2. Description of the Related Art As one of applications of a laser, a thin film transistor (T) used for a liquid crystal display (LCD) or the like is used.
Annealing to a thin film transistor (TFT) has attracted attention.
No. 144 discloses a "method of manufacturing a thin film transistor" in which characteristics are improved by irradiating an excimer laser.
【０００３】レーザアニールが用いられるのは、ポリシ
リコン膜の形成とコンタクト層の活性化である。レーザ
照射によりシリコン膜が溶融、結晶化してポリシリコン
となる。一度溶融過程を経るため高品質の膜が形成され
る。レーザエネルギーは半導体膜で吸収される。レーザ
がパルスであれば、パルス幅が数１０ｎｓ程度であるた
めシリコンの溶融時間は数１００ｎｓ程度となり下地の
ガラス基板への影響がほとんどない。また他の低温形成
法、例えば特開昭６１−３２４１９号の「赤外線アニー
ル方法」ではポリシリコン形成や活性化に１０００〜１
２００度Ｃ前後の高温で長時間アニールが必要となり、
ガラス基板が歪んだり不純物の拡散が問題となったりす
るが、レーザアニールによれば最高温度４００℃台での
形成が可能であり、このような問題がない。[0003] Laser annealing is used for forming a polysilicon film and activating a contact layer. The silicon film is melted and crystallized by laser irradiation to form polysilicon. A high-quality film is formed because it undergoes a melting process once. Laser energy is absorbed by the semiconductor film. If the laser is a pulse, the pulse width is on the order of several tens of ns, and the melting time of silicon is on the order of several hundreds of ns, with little effect on the underlying glass substrate. In other low-temperature forming methods, for example, the "infrared annealing method" of JP-A-61-32419, it is necessary to use 1000-1 for forming and activating polysilicon.
Long-time annealing is required at a high temperature of around 200 ° C,
Although the glass substrate may be distorted or the diffusion of impurities may become a problem, laser annealing can be used to form a substrate at a maximum temperature of about 400 ° C., and there is no such problem.
【０００４】ＴＦＴの動作速度は移動度（単位ｃｍ2／
Ｖ・ｓ）で表される。ポリシリコンＴＦＴの移動度は、
１０〜６００ｃｍ2／Ｖ・ｓである。この移動度に幅が
あるのはそれが粒経と粒界の両方に依存するためであ
る。高い移動度を得るためには、粒内欠陥が少なくなる
単結晶に近いこと、低欠陥な粒界を形成することが必要
である。一般に粒径が大きく、粒径が均一で、粒界の欠
陥が少ないほど高移動度が得られる。The operating speed of a TFT is mobility (unit: cm 2 /
V · s). The mobility of polysilicon TFT is
10 to 600 cm 2 / V · s. The mobility has a range because it depends on both the grain size and the grain boundaries. In order to obtain high mobility, it is necessary to be close to a single crystal in which intragranular defects are reduced and to form a low-defect grain boundary. Generally, higher mobility is obtained as the particle size is larger, the particle size is uniform, and the number of defects at the grain boundaries is smaller.
【０００５】図１２は、低温ポリシリコンＴＦＴの製造
プロセスを模式的に示している。この図において、
（１）でガラス基板の表面にアモルファスシリコン（ａ
−Ｓｉ）を形成し、（２）でａ−Ｓｉをポリシリコン
（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）に変換すると共に、ドライエッチン
グし、（３）で表面を絶縁被膜（ＳｉＯ２）で覆い、
（４）で電極膜を形成し、（５）でドーピングをおこな
う。レーザアニールは、上記の（２）と（５）とでｐｏ
ｌｙ−Ｓｉを加熱して、結晶の粒径を大きくし、かつド
ーピングにより打ち込まれた不純物を拡散させシリコン
との結合を高め、高移動度を得るために施される。FIG. 12 schematically shows a manufacturing process of a low-temperature polysilicon TFT. In this figure,
In (1), the amorphous silicon (a
-Si), a-Si is converted to polysilicon (poly-Si) in (2) and dry-etched, and the surface is covered with an insulating film (SiO2) in (3).
An electrode film is formed in (4), and doping is performed in (5). Laser annealing is performed in the above-described manners (2) and (5).
The ly-Si is heated to increase the grain size of the crystal, diffuse impurities implanted by doping, enhance bonding with silicon, and obtain high mobility.
【０００６】図８は、従来のレーザアニール装置の概念
図である。使用されるレーザは、例えばＸｅＣＬ，Ａｒ
Ｆ，ＫｒＦ，ＸｅＦのエキシマレーザやＹＡＧレーザ等
である。以下にエキシマレーザによるレーザアニール装
置を説明する。従来のレーザアニール装置３０は、レー
ザ発振光学系３１と４５度ミラー３５と集光レンズ３６
とステージ３８とステージコントローラ（図示せず）と
レーザコントローラ（図示せず）と制御用コンピュータ
（図示せず）とを備える。レーザ発振光学系３１は、レ
ーザアニールに必要な特性を持つレーザビームを射出す
る光学系であり、レーザ発振器３２とアッテネータ３３
と線状ビームホモジナイザ３４を有する。レーザ発振器
３２は、レーザを発振し射出する装置であ、エキシマレ
ーザを所定の周期（例えば、３００Ｈｚ）で水平に射出
する。そのエキシマレーザは、その断面が円形であり、
そのエネルギー密度がいわゆるトップハット型のプロフ
ァイルを有するアッテネータ３３は、入射されたレーザ
ビームのエネルギー密度を調整する装置であり、レーザ
発振器３２の後流に配置される。線状ビームホモジナイ
ザ３４は、入射したレーザビームを水平方向に広げ線状
（例えば、線長さ２００ｍｍ）のレーザビームにし、さ
らに強度分布を均一とする装置であり、アッテネータ３
３の後流におかれる。以下、説明の便宜のため、ビーム
断面の長い方を長手方向、短い方を幅方向と呼ぶ。線状
ビームの断面は長手方向に長軸をもち幅方向に短軸をも
つ長方形であり、そのエネルギー密度は幅方向にトップ
ハット型分布を持ち長手方向に平坦なプロファイルを持
つ。FIG. 8 is a conceptual diagram of a conventional laser annealing apparatus. The laser used is, for example, XeCL, Ar
An F, KrF, XeF excimer laser, a YAG laser or the like is used. Hereinafter, a laser annealing apparatus using an excimer laser will be described. The conventional laser annealing apparatus 30 includes a laser oscillation optical system 31, a 45-degree mirror 35, and a condenser lens 36.
, A stage 38, a stage controller (not shown), a laser controller (not shown), and a control computer (not shown). The laser oscillation optical system 31 is an optical system that emits a laser beam having characteristics necessary for laser annealing, and includes a laser oscillator 32 and an attenuator 33.
And a linear beam homogenizer 34. The laser oscillator 32 is a device that oscillates and emits a laser, and horizontally emits an excimer laser at a predetermined cycle (for example, 300 Hz). The excimer laser has a circular cross section,
The attenuator 33 whose energy density has a so-called top hat profile is a device for adjusting the energy density of the incident laser beam, and is arranged downstream of the laser oscillator 32. The linear beam homogenizer 34 is a device that expands the incident laser beam in the horizontal direction to form a linear (for example, a line length of 200 mm) laser beam and further makes the intensity distribution uniform.
3 is placed behind. Hereinafter, for convenience of description, the longer beam cross section is referred to as the longitudinal direction, and the shorter beam cross section is referred to as the width direction. The cross section of the linear beam is a rectangle having a major axis in the longitudinal direction and a minor axis in the width direction, and its energy density has a top-hat type distribution in the width direction and a flat profile in the longitudinal direction.
【０００７】４５度ミラー３５は、レーザビームの向き
を幅方向に９０度変化させ反射する装置であり、線状ビ
ームホモジナイザ３４の後流に置かれ、反射したレーザ
ビームは下向きになる。集光レンズ３６は、試料３７の
上面に所定の線長さ（例えば２００ｍｍ）と所定の幅
（例えば、４００μｍ）を有するレーザビームが照射さ
れる様に、ビームを幅方向に集光させるシリンドリカル
レンズであり、４５度ミラー３５の後流に置かれる。ス
テージ３８は、レーザアニールされる試料３７を面が水
平になるように支持して、レーザビームの幅方向に移動
させる送り台であり、集光レンズの後流に置かれる。ス
テージコントローラは、試料ステージを制御する装置で
ある。レーザコントローラは、レーザ光学系全体を制御
する装置である。制御用コントローラは、レーザアニー
ル装置全体を制御する装置であり、操作員は制御コント
ローラを操作する。レーザコントローラがエキシマレー
ザを１回照射する毎に、ステージコントローラがステー
ジを所定の距離Ｔだけ試料を幅方向に移動させる。一般
に距離Ｔはエキシマレーザのトップハット型のレーザプ
ロファイルの幅寸法の５％程度である。従って、１回毎
にレーザビームの幅方向の９５％の領域が重複してレー
ザ照射されることとなる。場合によっては、さらにチャ
ンバー内はポンプ系、ガス系により真空又はガス雰囲気
にコントロールされる。The 45-degree mirror 35 is a device which changes the direction of the laser beam by 90 degrees in the width direction and reflects the laser beam. The 45-degree mirror 35 is placed downstream of the linear beam homogenizer 34, and the reflected laser beam is directed downward. The condensing lens 36 is a cylindrical lens that condenses the beam in the width direction so that the upper surface of the sample 37 is irradiated with a laser beam having a predetermined line length (for example, 200 mm) and a predetermined width (for example, 400 μm). And is placed downstream of the mirror 35 at 45 degrees. The stage 38 is a feed base that supports the sample 37 to be laser-annealed so that its surface is horizontal and moves the laser beam in the width direction of the laser beam, and is placed downstream of the condenser lens. The stage controller is a device that controls the sample stage. The laser controller is a device that controls the entire laser optical system. The control controller is a device that controls the entire laser annealing apparatus, and an operator operates the control controller. Each time the laser controller irradiates the excimer laser once, the stage controller moves the stage by a predetermined distance T in the width direction of the sample. Generally, the distance T is about 5% of the width of the top hat type laser profile of the excimer laser. Therefore, each time, 95% of the area in the width direction of the laser beam is repeatedly irradiated with the laser. In some cases, the inside of the chamber is further controlled to a vacuum or gas atmosphere by a pump system and a gas system.
【０００８】次に、従来のレーザアニール方法を説明す
る。従来のパルスレーザであるエキシマレーザの線状ビ
ームを用いる例を説明する。図９は、従来のレーザ照射
の概念図である。エキシマレーザは、レーザ発振器３２
により発振され、所定の周期（例えば、４００Ｈｚ）で
射出される。そのエキシマレーザのエネルギー分布は、
断面が円形でありいわゆるトップハット型のプロファイ
ルを有する。エキシマレーザは、アッテネータ３３を通
過して、そのエネルギー密度を調整される。次にエキシ
マレーザは、線状ビームホモジナイザ３４を通過して、
断面が水平方向に長い長方形のいわゆる線状ビームとな
る。エキシマレーザのレーザビーム断面は、長手方向に
長軸、幅方向に短軸をもつ長方形になり、そのエネルギ
ー密度分布が幅方向にトップハット型のプロファイル３
９と長手方向に平坦なプロファイルとを持つ。レーザビ
ームは、４５度ミラーによりその軸線を直角に曲げられ
て下向きになる。レーザビームは、ステージ３８に支持
された試料の面に所定の線長さ（例えば２００ｍｍ）と
所定の幅（例えば４００μｍ）に集光されて照射され
る。ステージ３８は、試料３７を支持しつつ、幅方向に
移動させる。この際、レーザの照射ごとに所定のオーバ
ラップ（例えば、幅寸法の９５％）が生ずる様にレーザ
パルスに同期して試料を動かす。Next, a conventional laser annealing method will be described. An example using a linear beam of an excimer laser which is a conventional pulse laser will be described. FIG. 9 is a conceptual diagram of conventional laser irradiation. The excimer laser is a laser oscillator 32
And emitted at a predetermined cycle (for example, 400 Hz). The energy distribution of the excimer laser is
The cross section is circular and has a so-called top hat profile. The excimer laser passes through the attenuator 33 and its energy density is adjusted. The excimer laser then passes through a linear beam homogenizer 34,
A so-called linear beam whose cross section is long in the horizontal direction is a rectangle. The cross section of the laser beam of the excimer laser is a rectangle having a major axis in the longitudinal direction and a minor axis in the width direction, and its energy density distribution is top-hat profile 3 in the width direction.
9 and a profile that is flat in the longitudinal direction. The axis of the laser beam is bent at a right angle by a 45-degree mirror and turned downward. The laser beam is focused on a surface of the sample supported on the stage 38 to have a predetermined line length (for example, 200 mm) and a predetermined width (for example, 400 μm) and is irradiated. The stage 38 moves the sample 37 in the width direction while supporting it. At this time, the sample is moved in synchronization with the laser pulse so that a predetermined overlap (for example, 95% of the width) occurs each time the laser is irradiated.
【０００９】以上の説明した方法で、試料をレーザアニ
ールすると、シリコン膜はレーザに照射され、幅方向に
溶解しながら順次固まるので、固まる際に結晶化する。
この方法により１μｍ程度までの大きさの結晶をつくる
ことができる。図１０は、結晶化したシリコン膜の模式
図である。１μｍ以下のシリコン結晶４０が密に配列し
ている。When the sample is laser-annealed by the above-described method, the silicon film is irradiated with a laser and solidifies while being melted in the width direction, so that the silicon film is crystallized when solidified.
With this method, crystals having a size of up to about 1 μm can be formed. FIG. 10 is a schematic diagram of a crystallized silicon film. Silicon crystals 40 of 1 μm or less are densely arranged.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上述のレーザアニール
方法とレーザアニール装置では、多結晶シリコン膜の結
晶が１μｍ以上の大きさに成長することが困難であると
いう不具合があった。さらに、大小の結晶粒が混在し、
結晶粒の均一性が悪いという不具合があった。そのた
め、多結晶シリコン膜の移動度の向上が今以上には望め
ないという問題点があった。The above-described laser annealing method and laser annealing apparatus have a problem that it is difficult to grow a polycrystalline silicon film to a size of 1 μm or more. Furthermore, large and small crystal grains are mixed,
There was a problem that the uniformity of crystal grains was poor. For this reason, there has been a problem that the improvement of the mobility of the polycrystalline silicon film cannot be expected any more.
【００１１】ところで、最近の研究により、レーザによ
るポリシリコンの結晶化現象において、レーザビームの
エネルギー密度の分布を表すビームプロファイルの形状
と結晶粒の大きさに相関があることを発見されている。
その一例を図を基に説明する。図１１は、試験結果の結
晶化の模式図である。この模式図は、シリコン膜に従来
の装置を用いて、ＹＡＧレーザの線状ビームを１回照射
した時の、レーザプロファイルとアモルファスシリコン
膜５１の結晶化の様子を示している。この様子を見る
と、レーザビーム幅の中で一様に結晶化が起こるのでは
ないことが分かる。特に、レーザプロファイルの傾斜角
が最大になる位置に対応するシリコン膜に大きな結晶が
成長する。すなわち、レーザビームのエネルギー密度を
表すビームプロファイル５０は、一般に山形であり、例
えば、台形形状（いわゆる、トップハット型と呼ばれ
る）やガウシアン分布形状となる。例えば、アモルファ
スシリコンの薄膜にガウシアン分布をもつレーザを照射
すると、粒子径の小さな結晶粒がガウシアン分布の頂点
部５３と裾野部５４とに成長し、粒子径の大きな結晶粒
５２がレーザビームプロファイルの傾きが最大になる位
置５２に成長する。Incidentally, it has been discovered from recent research that in the crystallization phenomenon of polysilicon by laser, there is a correlation between the shape of a beam profile representing the distribution of energy density of a laser beam and the size of crystal grains.
An example will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a schematic diagram of the crystallization of the test results. This schematic diagram shows a laser profile and a state of crystallization of the amorphous silicon film 51 when the silicon film is irradiated once with a linear beam of a YAG laser using a conventional apparatus. This shows that crystallization does not occur uniformly within the laser beam width. In particular, a large crystal grows on the silicon film corresponding to the position where the inclination angle of the laser profile becomes maximum. That is, the beam profile 50 representing the energy density of the laser beam is generally mountain-shaped, for example, a trapezoidal shape (so-called top-hat type) or a Gaussian distribution shape. For example, when a thin film of amorphous silicon is irradiated with a laser having a Gaussian distribution, crystal grains having a small particle size grow at the top 53 and the foot 54 of the Gaussian distribution, and the crystal grains 52 having a large particle size form a laser beam profile. It grows to the position 52 where the inclination becomes maximum.
【００１２】このことから、半値幅の小さなガウシアン
プロファイルを持ったレーザビームを密に照射すると、
プロファイルの傾きが最大になる位置が密になるので、
粒子径の大きな結晶粒が密に成長するのではないかと期
待される。しかし、レーザアニールに用いられているエ
キシマレーザやＹＡＧレーザを集光レンズで集光させる
と、５０ミクロン程度にまで絞ることができるが、それ
よりも小さく絞ることができない。Therefore, when a laser beam having a Gaussian profile with a small half width is densely irradiated,
Since the position where the profile inclination becomes maximum becomes dense,
It is expected that crystal grains with a large particle diameter will grow densely. However, when an excimer laser or a YAG laser used for laser annealing is condensed by a condensing lens, it can be stopped down to about 50 microns, but cannot be stopped down smaller than that.
【００１３】本発明は以上に述べた問題点に鑑み、新た
に発見した知見に基づき、案出されたもので、従来のレ
ーザアニール方法とレーザアニール装置にかわって、移
動度が今以上に良好なシリコン膜を得ることのできるレ
ーザアニール方法とレーザアニール装置を提供しようと
する。In view of the above problems, the present invention has been devised based on newly discovered knowledge, and has a better mobility than conventional laser annealing methods and laser annealing apparatuses. An object of the present invention is to provide a laser annealing method and a laser annealing apparatus capable of obtaining a simple silicon film.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体膜を結晶化するレーザアニール
方法は、レーザを発振し発射するレーザ発振工程と、前
記レーザを半導体膜面に集光させるレーザ集光工程と、
前記レーザのビームを微小ビームに分割して微小ビーム
毎に位相差をつけるレーザ位相変調工程と、集光したレ
ーザを半導体膜に照射するレーザ照射工程と、を備え、
レーザ位相変調工程がレーザ集光工程の前工程または後
工程の一方として行うものとした。上記本発明の構成に
より、レーザが、発振して発射され、半導体膜面に集光
され、ビームを微小分割されてできた微小ビーム毎に位
相差をつけられ、集光したレーザを半導体膜に照射され
る、または、レーザが、発振して発射され、ビームを微
小ビームに分割して微小ビーム毎に位相差をつけられ、
半導体膜面に集光され、集光したレーザを半導体膜に照
射されるので、位相差のある微小なレーザビームの束が
半導体膜に集光されて相互干渉が生じスペックルパター
ンとなり、そのペックルパターンのレーザが半導体膜に
照射され、半導体膜に粒径の大きな結晶粒が成長する。In order to achieve the above object, a laser annealing method for crystallizing a semiconductor film according to the present invention comprises a laser oscillation step of oscillating and emitting a laser, and collecting the laser on a surface of the semiconductor film. A laser condensing step for emitting light,
A laser phase modulation step of dividing the laser beam into minute beams to give a phase difference for each minute beam, and a laser irradiation step of irradiating the semiconductor film with a focused laser,
The laser phase modulation step is performed as one of a step before and after the laser focusing step. According to the configuration of the present invention, the laser is oscillated and emitted, focused on the semiconductor film surface, and the beam is finely divided, and a phase difference is provided for each of the minute beams. Irradiated or a laser is oscillated and fired, splitting the beam into minute beams and giving a phase difference for each minute beam,
Since the laser beam is focused on the semiconductor film surface and the focused laser is irradiated on the semiconductor film, a bundle of minute laser beams having a phase difference is focused on the semiconductor film, causing mutual interference to form a speckle pattern. The semiconductor film is irradiated with the laser of the pattern, and crystal grains having a large particle size grow in the semiconductor film.
【００１５】さらに、本発明に係るレーザアニール方法
は、レーザ位相変調工程が、レーザに位相差を与える複
数のコーティングがレーザ透過面またはレーザ反射面に
配置された位相板を用意し、前記レーザをその位相板に
通過または反射の一方をさせるものとした。上記本発明
の構成により、レーザが、レーザに位相差を与える複数
のコーティングがレーザ透過面に配置された位相板に通
過させられ、または、レーザに位相差を与える複数のコ
ーティングがレーザ反射面に配置された位相板に反射さ
せられるので、位相差のある微小なレーザビームの束が
半導体膜に集光されて相互干渉が生じスペックルパター
ンとなり、そのペックルパターンのレーザが半導体膜に
照射され、半導体膜に粒径の大きな結晶粒が成長する。Further, in the laser annealing method according to the present invention, in the laser phase modulation step, a phase plate in which a plurality of coatings for giving a phase difference to the laser are arranged on a laser transmitting surface or a laser reflecting surface is prepared, and the laser is used. The phase plate is made to pass or reflect. According to the configuration of the present invention, a plurality of coatings for giving a phase difference to a laser are passed through a phase plate disposed on a laser transmitting surface, or a plurality of coatings for giving a phase difference to a laser are provided on a laser reflecting surface. Since the light is reflected by the arranged phase plate, a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film, causing mutual interference to form a speckle pattern, and the laser having the pecking pattern is irradiated on the semiconductor film, Large crystal grains grow on the semiconductor film.
【００１６】さらに、本発明に係るレーザアニール方法
は、レーザ照射工程が、集光したレーザを半導体膜に照
射する毎に、半導体膜でのレーザの照射位置をステップ
距離Ｔだけレーザビーム幅方向にずらし、ステップ距離
Ｔがレーザビーム幅より小さいものとした。上記本発明
の構成により、集光しスペックルパターンを持つレーザ
が半導体膜に照射される毎に、半導体膜でのレーザの照
射位置をレーザビーム幅より小さいステップ距離Ｔだけ
レーザビーム幅方向にずらして、さらに集光しスペック
ルパターンを持つレーザが半導体膜に照射されるので、
半導体膜面に粒径の大きな結晶粒がステップ距離Ｔ毎に
成長する。Further, in the laser annealing method according to the present invention, in the laser irradiation step, each time the condensed laser is irradiated on the semiconductor film, the laser irradiation position on the semiconductor film is shifted in the laser beam width direction by a step distance T. The step distance T is smaller than the laser beam width. According to the configuration of the present invention, each time a laser having a speckle pattern is focused and irradiated on the semiconductor film, the laser irradiation position on the semiconductor film is shifted in the laser beam width direction by a step distance T smaller than the laser beam width. Since the semiconductor film is further focused and irradiated with a laser having a speckle pattern,
Crystal grains having a large grain size grow on the surface of the semiconductor film at every step distance T.
【００１７】また、本発明に係るレーザアニール方法
は、ステップ距離Ｔがレーザビームの１回の照射で半導
体膜が溶解するレーザビーム幅方向の幅寸法にほぼ等し
いものとした。上記本発明の構成により、集光したレー
ザが半導体膜に照射される毎に、半導体膜でのレーザの
照射位置をレーザビームの１回の照射で半導体膜が溶解
するレーザビーム幅方向の幅距離にほぼ等しいステップ
距離Ｔだけレーザビーム幅方向にずらし、さらに集光し
たレーザが半導体膜に照射されるので、半導体膜面に粒
径の大きな結晶粒が幅方向に連続して成長する。In the laser annealing method according to the present invention, the step distance T is substantially equal to the width in the laser beam width direction at which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam. With the configuration of the present invention, each time the condensed laser is irradiated on the semiconductor film, the irradiation position of the laser on the semiconductor film is set to the width distance in the laser beam width direction in which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam The semiconductor laser is shifted in the laser beam width direction by a step distance T substantially equal to the laser beam, and the semiconductor film is irradiated with the condensed laser. Thus, crystal grains having a large grain size continuously grow in the width direction on the semiconductor film surface.
【００１８】さらに、本発明に係るレーザアニール方法
は、位相差がレーザ波長の半波長分であるものとした。
上記本発明の構成により、位相差がレーザ波長の半波長
分であるので、レーザ波長の半波長分の位相差のある微
小なレーザビームの束が半導体膜に集光されて相互干渉
が生じ大きなエネルギー密度のピークをもつスペックル
パターンとなり、そのレーザビームが照射され、半導体
膜により粒径の大きな結晶粒が成長する。Further, in the laser annealing method according to the present invention, the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength.
According to the configuration of the present invention, since the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength, a bundle of minute laser beams having a phase difference of the half wavelength of the laser wavelength is condensed on the semiconductor film, and mutual interference occurs. A speckle pattern having an energy density peak is formed, and the laser beam is irradiated, and crystal grains having a large grain size grow by the semiconductor film.
【００１９】さらに、本発明に係るレーザアニール方法
は、レーザ位相変調工程が、微小ビーム毎に不規則に位
相差をつけるものとした。上記本発明の構成により、レ
ーザが、ビームを微小ビームに分割され、微小ビーム毎
に不規則に位相差をつけられるので、位相差のある微小
なレーザビームの束が半導体膜に集光されて相互干渉が
生じスペックルパターンの包絡線がほぼガウシアン分布
曲線となり、そのレーザビームが照射され、半導体膜に
粒径の大きな結晶粒が均一に成長する。Further, in the laser annealing method according to the present invention, in the laser phase modulation step, a phase difference is irregularly formed for each minute beam. According to the configuration of the present invention, the laser divides the beam into minute beams and irregularly imparts a phase difference to each minute beam, so that a bundle of minute laser beams having a phase difference is focused on the semiconductor film. Mutual interference occurs, and the envelope of the speckle pattern substantially becomes a Gaussian distribution curve, and the laser beam is applied thereto, so that crystal grains having a large grain size grow uniformly in the semiconductor film.
【００２０】さらに、本発明に係るレーザアニール方法
は、レーザ発振工程が、レーザを発振してそのレーザを
幅方向に線状に延ばして線状レーザに変換して発射し、
レーザ集光工程が、線状レーザを線方向の直交方向に集
光させるものとした。上記本発明の構成により、線状レ
ーザが線方向の直交方向に集光されるので、幅方向に位
相差のある微小なレーザビームの束が半導体膜に幅方向
に集光されて相互干渉が生じ、スペックルパターンを持
つ線状ビームとなり、そのスペックルパターンを持った
レーザビームが半導体膜に照射され、半導体膜に粒径の
大きな結晶粒が線状の領域に成長する。Further, in the laser annealing method according to the present invention, the laser oscillation step oscillates the laser, extends the laser linearly in the width direction, converts the laser into a linear laser, and emits the laser.
In the laser focusing step, the linear laser is focused in a direction orthogonal to the linear direction. According to the configuration of the present invention, since the linear laser is focused in the direction orthogonal to the linear direction, a bundle of minute laser beams having a phase difference in the width direction is focused on the semiconductor film in the width direction, and mutual interference occurs. As a result, a linear beam having a speckle pattern is formed, and the semiconductor film is irradiated with a laser beam having the speckle pattern, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film in a linear region.
【００２１】上記目的を達成するため、本発明に係る基
板上の半導体膜を結晶化するレーザアニール装置は、レ
ーザを発振し発射するレーザ発振光学系と、レーザ光軸
上に配置された集光レンズと、集光レンズの前または後
の光軸上に配置された位相板と、集光したレーザが半導
体膜に当たる様に基板を支持する基板支持装置とを備
え、前記位相板はレーザに位相差を与える複数のコーテ
ィングがレーザ透過面またはレーザ反射面に配置される
ものとした。上記本発明の構成により、レーザ発振光学
系がレーザを発振し発射し、そのレーザが、集光レンズ
に通されて集光し、レーザに位相差を与える複数のコー
ティングがレーザ透過面又はレーザ反射面に配置される
位相板に集光レンズの前または後の光軸上で通され、集
光したレーザが半導体膜に照射されるので、位相差のあ
る微小なレーザビームの束が半導体膜に集光されて相互
干渉が生じスペックルパターンとなり、そのスペックル
パターンを持つレーザビームが半導体膜に照射され、半
導体膜に粒径の大きな結晶粒が成長する。In order to achieve the above object, a laser annealing apparatus for crystallizing a semiconductor film on a substrate according to the present invention comprises: a laser oscillation optical system for oscillating and emitting a laser; and a condensing laser arranged on a laser optical axis. A lens, a phase plate disposed on the optical axis before or after the condensing lens, and a substrate support device for supporting the substrate so that the condensed laser strikes the semiconductor film, wherein the phase plate is positioned at the laser. A plurality of coatings giving a phase difference are arranged on the laser transmitting surface or the laser reflecting surface. According to the configuration of the present invention, the laser oscillation optical system oscillates and emits a laser, and the laser is passed through a condenser lens and focused, and a plurality of coatings for giving a phase difference to the laser are formed on a laser transmission surface or a laser reflection surface. The laser beam passes through the phase plate arranged on the surface on the optical axis before or after the condenser lens, and the condensed laser is irradiated on the semiconductor film. The light is condensed to cause mutual interference to form a speckle pattern. A laser beam having the speckle pattern is irradiated on the semiconductor film, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film.
【００２２】上記目的を達成するため、本発明に係る基
板上の半導体膜を結晶化するレーザアニール装置は、レ
ーザを発振し発射するレーザ発振光学系と、レーザ光軸
上に配置された集光レンズと、集光したレーザが半導体
膜に当たる様に基板を支持する基板支持装置とを備え、
前記集光レンズのレーザ透過面にレーザに位相差を与え
る複数のコーティングが配置されるものとした。上記本
発明の構成により、レーザ発振光学系がレーザを発振し
発射し、そのレーザがレーザに位相差を与える複数のコ
ーティングがレーザ透過面に配置される集光レンズに通
されて集光し、集光したレーザを半導体膜に照射するの
で、位相差のある微小なレーザビームの束が半導体膜に
集光されて相互干渉が生じスペックルパターンとなり、
そのスペックルパターンを持つレーザビームが半導体膜
に照射され、半導体膜に粒径の大きな結晶粒が成長す
る。In order to achieve the above object, a laser annealing apparatus for crystallizing a semiconductor film on a substrate according to the present invention comprises a laser oscillation optical system for oscillating and emitting a laser, and a condensing light arranged on a laser optical axis. A lens and a substrate support device for supporting the substrate so that the focused laser beam hits the semiconductor film,
A plurality of coatings for giving a phase difference to the laser are arranged on the laser transmitting surface of the condenser lens. According to the configuration of the present invention, the laser oscillation optical system oscillates and emits a laser, and the laser passes through a condensing lens disposed on a laser transmitting surface to collect a plurality of coatings that give a phase difference to the laser, and condenses the laser. Since the focused laser is irradiated on the semiconductor film, a bundle of minute laser beams having a phase difference is focused on the semiconductor film, causing mutual interference to form a speckle pattern,
The semiconductor film is irradiated with a laser beam having the speckle pattern, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film.
【００２３】さらに、本発明に係るレーザアニール装置
は、基板支持装置が、集光したレーザを半導体膜に照射
する毎に、基板をステップ距離Ｔだけレーザビーム幅方
向の一方にずらし、ステップ幅Ｔがレーザビーム幅より
小さいものとした。上記本発明の構成により、集光しス
ペックルパターンを持つレーザが半導体膜に照射される
毎に、基板支持装置が基板をレーザビーム幅より小さい
ステップ距離Ｔだけレーザビーム幅方向の一方にずら
し、さらに集光しスペックルパターンを持つレーザが半
導体膜に照射されるので、半導体膜面に粒径の大きな結
晶粒がステップ距離Ｔ毎に成長する。Further, in the laser annealing apparatus according to the present invention, the substrate is shifted to one side in the laser beam width direction by a step distance T every time the substrate support device irradiates the condensed laser beam to the semiconductor film. Is smaller than the laser beam width. According to the configuration of the present invention, each time the semiconductor film is irradiated with a laser having a speckle pattern after being focused, the substrate supporting device shifts the substrate by one step distance T smaller than the laser beam width in the laser beam width direction, Further, since the semiconductor film is irradiated with a laser beam having a condensed speckle pattern, crystal grains having a large grain size grow on the surface of the semiconductor film at every step distance T.
【００２４】また、本発明に係るレーザアニール装置
は、ステップ距離Ｔが、レーザビームの１回の照射で半
導体膜が溶解するレーザビーム幅方向の幅距離にほぼ等
しいものとした。上記本発明の構成により、集光しスペ
ックルパターンを持つレーザが半導体膜に照射される毎
に、基板支持装置が基板をレーザビームの１回の照射で
半導体膜が溶解するレーザビーム幅方向の幅距離にほぼ
等しいステップ距離Ｔだけレーザビーム幅方向の一方に
ずらし、さらに集光しスペックルパターンを持つレーザ
が半導体膜に照射されるので、半導体膜面に粒径の大き
な結晶粒が幅方向に連続して成長する。Further, in the laser annealing apparatus according to the present invention, the step distance T is substantially equal to the width distance in the laser beam width direction at which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam. According to the configuration of the present invention, each time a laser beam having a speckle pattern is condensed and irradiated on the semiconductor film, the substrate supporting device irradiates the substrate with a single irradiation of the laser beam in the laser beam width direction. The semiconductor film is shifted to one side in the width direction of the laser beam by a step distance T substantially equal to the width distance, and is then focused and a laser having a speckle pattern is irradiated on the semiconductor film. Grow continuously.
【００２５】さらに、本発明に係るレーザアニール装置
は、位相差がレーザ波長の半波長分であるものとした。
上記本発明の構成により、位相差がレーザ波長の半波長
分であるので、レーザ波長の半波長分の位相差のある微
小なレーザビームの束が半導体膜に集光されて相互干渉
が生じ大きなエネルギー密度のピークをもつスペックル
パターンとなり、そのレーザビームが照射され、半導体
膜により粒径の大きな結晶粒が成長する。Further, in the laser annealing apparatus according to the present invention, the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength.
According to the configuration of the present invention, since the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength, a bundle of minute laser beams having a phase difference of the half wavelength of the laser wavelength is condensed on the semiconductor film, and mutual interference occurs. A speckle pattern having an energy density peak is formed, and the laser beam is irradiated, and crystal grains having a large grain size grow by the semiconductor film.
【００２６】さらに、本発明に係るレーザアニール装置
は、前記複数のコーティングがレーザビーム幅方向に不
規則に配置されるものとした。上記本発明の構成によ
り、前記複数のコーティングが、レーザビーム幅方向に
不規則に配置されるので、位相差のある微小なレーザビ
ームの束が半導体膜に集光されて相互干渉が生じスペッ
クルパターンの包絡線がガウシアン分布曲線となり、そ
のレーザビームが照射され、半導体膜に粒径の大きな結
晶粒が均一に成長する。Further, in the laser annealing apparatus according to the present invention, the plurality of coatings are arranged irregularly in a laser beam width direction. According to the configuration of the present invention, since the plurality of coatings are irregularly arranged in the laser beam width direction, a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film to cause mutual interference and speckle. The envelope of the pattern becomes a Gaussian distribution curve, and the laser beam is irradiated, so that crystal grains having a large grain size grow uniformly in the semiconductor film.
【００２７】さらに、本発明に係るレーザアニール装置
は、レーザ発振光学系が、発振したレーザを幅方向の一
方に線状に延ばして線状レーザに変換する光学系を有
し、集光レンズがシリンドリカルレンズであるものとし
た。上記本発明の構成により、レーザ発振光学系が線状
レーザを発射し、その線状レーザがシリンドリカルレン
ズにより集光されるので、微小なレーザビームの束が半
導体膜に幅方向に集光されて相互干渉が生じ、スペック
ルパターンを持った線状ビームとなり、そのスペックル
パターンを持ったレーザビームが半導体膜に照射され、
半導体膜に粒径の大きな結晶粒が線状の領域に成長す
る。Further, in the laser annealing apparatus according to the present invention, the laser oscillation optical system has an optical system that linearly extends the oscillated laser to one side in the width direction and converts the laser into a linear laser. It was assumed to be a cylindrical lens. According to the configuration of the present invention, the laser oscillation optical system emits a linear laser, and the linear laser is condensed by the cylindrical lens. Therefore, a bundle of minute laser beams is condensed on the semiconductor film in the width direction. Mutual interference occurs, resulting in a linear beam having a speckle pattern, and a laser beam having the speckle pattern is irradiated on the semiconductor film,
Crystal grains having a large grain size grow in a linear region in the semiconductor film.
【００２８】[0028]
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共
通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each of the drawings, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
【００２９】本発明の実施形態に係るレーザアニール装
置の構造を説明する。図１は、本発明の実施形態の概念
図である。The structure of the laser annealing apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of the present invention.
【００３０】使用されるレーザは、例えばＸｅＣＬ，Ａ
ｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＦのエキシマレーザやＹＡＧレーザ
（第二高調波）等である。ＹＡＧレーザはエキシマレー
ザに比べビーム内の位相がよく一致しており、位相の相
互干渉がおこりやすいレーザである。以下にＹＡＧレー
ザによるレーザアニール装置を説明する。レーザアニー
ル装置１０は、レーザ発振光学系１１と４５度ミラー１
５とランダム位相板１６と集光レンズ１７とステージ１
９とステージコントローラ（図示せず）とレーザコント
ローラ（図示せず）と制御用コンピュータ（図示せず）
とを備える。レーザ発振光学系１１は、レーザアニール
に必要な特性を持つレーザビームを射出する光学系であ
り、レーザ発振器１２とアッテネータ１３と線状ビーム
ホモジナイザ１４を有する。レーザ発振器１２は、レー
ザを発振し射出する装置であり、断面が円形でありエネ
ルギー密度がいわゆるガウシアン型のプロファイルを有
するＹＡＧレーザを所定の周期で水平に射出する。アッ
テネータ１３は、入射されたレーザビームのエネルギー
密度を調整する装置であり、レーザ発振器の後流に配置
される。線状ビームホモジナイザ１４は、入射したレー
ザビームを水平方向に広げ線状（例えば、線長さ２００
ｍｍ）のレーザビームにし、さらに強度分布を均一とす
る装置であり、アッテネータの後流におかれる。以下、
説明の便宜のため、ビーム断面の長い方を長手方向、短
い方を幅方向と呼ぶ。レーザビームのビーム断面は長手
方向に長軸をもち、幅方向に短軸をもつ長方形になり、
短軸方向にガウシアン型で長軸方向に平坦なプロファイ
ルをもつ。The laser used is, for example, XeCL, A
An excimer laser of rF, KrF, or XeF or a YAG laser (second harmonic) is used. The YAG laser has a better phase in the beam than the excimer laser, and is likely to cause phase interference. Hereinafter, a laser annealing apparatus using a YAG laser will be described. The laser annealing apparatus 10 includes a laser oscillation optical system 11 and a 45-degree mirror 1
5, random phase plate 16, condenser lens 17, and stage 1
9, a stage controller (not shown), a laser controller (not shown), and a control computer (not shown)
And The laser oscillation optical system 11 is an optical system that emits a laser beam having characteristics necessary for laser annealing, and includes a laser oscillator 12, an attenuator 13, and a linear beam homogenizer 14. The laser oscillator 12 is a device that oscillates and emits a laser, and horizontally emits a YAG laser having a circular cross section and a so-called Gaussian-type profile with a predetermined energy density. The attenuator 13 is a device for adjusting the energy density of the incident laser beam, and is arranged downstream of the laser oscillator. The linear beam homogenizer 14 spreads the incident laser beam in the horizontal direction and forms a linear beam (for example, with a line length of 200 mm).
mm) and a device that makes the intensity distribution uniform and is located downstream of the attenuator. Less than,
For convenience of description, a longer beam cross section is referred to as a longitudinal direction, and a shorter beam cross section is referred to as a width direction. The beam cross section of the laser beam has a long axis in the longitudinal direction and a rectangle with a short axis in the width direction,
It has a Gaussian shape in the short axis direction and a flat profile in the long axis direction.
【００３１】４５度ミラー１５は、レーザビームの向き
を幅方向を９０度変化させ反射する装置であり、線状ビ
ームホモジナイザの後流に置かれ、反射したレーザビー
ムは下向きになる。ランダム位相板１６は、透過したレ
ーザを細かなレーザの束とし、それぞれに位相差を与え
る装置であり、４５度ミラー１５の後流に配置される。
ランダム位相板１６は、半波長分の位相遅れπを与える
コーティングをランダムに配置した透過板である。図２
は、ランダム位相板平面構成の一例をしめした平面図で
ある。その一部を拡大して見ると、四角いコーティング
が隙間なく敷き詰められる。ランダム位相板１６は、入
射ビームを寸法ｄのピクセルサイズの微小ビームに分割
する。ピクセルの形状は、正方形、六角形、三角形、さ
らには同心円パターン等がある。図中の白い部分２０と
黒い部分２１では位相がπだけずれるようにする。図示
する白地の部分を通過するレーザと黒地の部分を通過す
るレーザとには半波長分の位相差が生じる。図３は、ラ
ンダム位相板の断面図である。波長λの光に対して屈折
率ｎの透過光学素子の厚さを、 Δｔ＝λ／２（ｎー１） で表されるΔｔだけ差をつけることで実現できる。又
は、波長λの光に対して屈折率ｎの反射光学素子の厚さ
をΔｔだけ差をつけることでも実現できる。The 45-degree mirror 15 is a device that changes the direction of the laser beam by 90 degrees in the width direction and reflects the laser beam. The 45-degree mirror 15 is placed downstream of the linear beam homogenizer, and the reflected laser beam is directed downward. The random phase plate 16 is a device that converts the transmitted laser beam into a bundle of fine laser beams and gives a phase difference to each of them, and is arranged downstream of the 45-degree mirror 15.
The random phase plate 16 is a transmission plate on which a coating giving a phase delay π of a half wavelength is randomly arranged. FIG.
FIG. 2 is a plan view showing an example of a random phase plate plane configuration. If you look at a part enlarged, the square coating is spread without gaps. The random phase plate 16 splits the incident beam into minute beams having a pixel size of dimension d. The shape of the pixel includes a square, a hexagon, a triangle, and a concentric pattern. In the white part 20 and the black part 21 in the figure, the phase is shifted by π. A half-wavelength phase difference is generated between the laser passing through the white background and the laser passing through the black background. FIG. 3 is a cross-sectional view of the random phase plate. It can be realized by making the thickness of the transmission optical element having the refractive index n different from the light having the wavelength λ by Δt represented by Δt = λ / 2 (n−1). Alternatively, it can be realized by making the thickness of the reflective optical element having the refractive index n different from the light having the wavelength λ by Δt.
【００３２】集光レンズ１７は、試料面に所定の線長さ
（例えば２００ｍｍ）と所定の幅（例えば、４００μ
ｍ）を有するレーザビームが照射される様に、ビームの
幅方向を集光させるシリンドリカルレンズであり、４５
度ミラーの後流に置かれる。試料ステージは、レーザア
ニールされる試料を面が水平になるように支持して、レ
ーザビームの幅方向に移動させる送り台であり、集光レ
ンズの後流に置かれる。ステージコントローラは、試料
ステージを制御する装置である。レーザコントローラ
は、レーザ光学系全体を制御する装置である。制御用コ
ントローラは、レーザアニール装置全体を制御する装置
であり、操作員は制御コントローラを操作する。レーザ
コントローラがＹＡＧレーザレーザを１回照射する毎
に、ステージコントローラは、試料を乗せたステージを
所定の距離Ｔだけレーザビームの幅方向に移動させる。
距離Ｔはレーザビームの１回の照射で半導体膜が溶解す
るレーザビーム幅方向の幅距離にほぼ等しい。この移動
距離Ｔは、予め行う照射試験によって定められる。場合
によっては、さらにチャンバー内はポンプ系、ガス系に
より真空又はガス雰囲気にコントロールされる。The condenser lens 17 has a predetermined line length (for example, 200 mm) and a predetermined width (for example, 400 μm) on the sample surface.
m) is a cylindrical lens that focuses the beam in the width direction so that the laser beam having
Degree is placed behind the mirror. The sample stage is a feed stage that supports the sample to be laser-annealed so that the surface is horizontal and moves the laser beam in the width direction of the laser beam, and is placed downstream of the condenser lens. The stage controller is a device that controls the sample stage. The laser controller is a device that controls the entire laser optical system. The control controller is a device that controls the entire laser annealing apparatus, and an operator operates the control controller. Each time the laser controller irradiates the YAG laser laser once, the stage controller moves the stage on which the sample is placed by a predetermined distance T in the width direction of the laser beam.
The distance T is substantially equal to the width distance in the laser beam width direction at which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam. This moving distance T is determined by an irradiation test performed in advance. In some cases, the inside of the chamber is further controlled to a vacuum or gas atmosphere by a pump system and a gas system.
【００３３】次に、従来のレーザアニール方法を説明す
る。パルスレーザであるＹＡＧレーザの線状ビームを用
いる例を説明する。ＹＡＧレーザは、レーザ発振器によ
り発振され、所定の周期で射出される。そのＹＡＧレー
ザは、断面が円形でありエネルギー密度がいわゆるガウ
シアン型のプロファイルを有する。レーザは、アッテネ
ータを通過して、そのエネルギー密度を調整される。次
にレーザは、線状ビームホモジナイザを通過して、断面
が水平方向に長手の長方形のいわゆる線状ビームとな
る。ＹＡＧレーザのレーザビーム断面は、長手方向に長
軸、幅方向に短軸をもつ長方形になり、そのエネルギー
密度は、幅方向にガウシアン型で長手方向に平坦なプロ
ファイルを持つ。レーザビームは、４５度ミラーにより
その軸線を幅方向に直角に曲げられて下向きになる。レ
ーザビームは、ランダム位相板を通過して、位相が半波
長だけずれた微小なレーザビームの束となる。レーザビ
ームは、試料ステージに支持された試料の面に所定の線
長さ（例えば、２００ｍｍ）と所定の幅（例えば、４０
０μｍ）で照射される。試料ステージは、試料を支持し
つつ、幅方向に移動させる。この際、レーザの一回の照
射毎に移動距離Ｔだけ幅方向に移動する。この距離Ｔは
レーザビームの１回の照射で半導体膜が溶解するレーザ
ビーム幅方向の幅距離にほぼ等しい。この移動距離Ｔ
は、予め行う照射試験によって定められる。Next, a conventional laser annealing method will be described. An example using a linear beam of a YAG laser which is a pulse laser will be described. The YAG laser is oscillated by a laser oscillator and is emitted at a predetermined cycle. The YAG laser has a circular cross section and a so-called Gaussian profile in energy density. The laser passes through the attenuator and its energy density is adjusted. Next, the laser passes through a linear beam homogenizer to form a so-called linear beam having a rectangular cross section elongated in the horizontal direction. The laser beam cross section of the YAG laser is a rectangle having a major axis in the longitudinal direction and a minor axis in the width direction, and its energy density has a Gaussian shape in the width direction and a flat profile in the longitudinal direction. The axis of the laser beam is bent at a right angle in the width direction by a 45-degree mirror and turned downward. The laser beam passes through the random phase plate and becomes a bundle of minute laser beams whose phases are shifted by half a wavelength. The laser beam has a predetermined line length (for example, 200 mm) and a predetermined width (for example, 40 mm) on the surface of the sample supported on the sample stage.
0 μm). The sample stage moves the sample in the width direction while supporting the sample. At this time, the laser beam is moved in the width direction by the moving distance T for each irradiation of the laser. This distance T is substantially equal to the width distance in the laser beam width direction at which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam. This moving distance T
Is determined by an irradiation test performed in advance.
【００３４】次に、ランダム位相板の働きと結晶化に与
える作用を説明する。図４は、集光レンズ周りの詳細図
であり、レーザビームの集光の様子とプロファイルの変
化を示している。図５は、試料に照射されたレーザビー
ムのビームプロファイルの詳細説明図である。 （Ａ）ランダム位相板１６の入射直前のレーザビームを
説明する。レーザビームは、ビーム断面が長軸を長手方
向とし短軸を幅方向とする長方形であり、そのエネルギ
ー密度のプロファイル２２が幅方向にガウシアン型で長
手方向に平坦な形状である。また、ビーム断面のすべて
のビームが同一位相を持つ。 （Ｂ）ランダム位相板１６を通過し、集光レンズ１７に
入射直前のレーザビームを説明する。レーザビームは、
ビーム断面が長軸を長手方向とし短軸を幅方向とする長
方形であり、プロファイル２３が幅方向にガウシアン型
で長手方向に平坦な形状である。また、ビーム断面が微
細ビームの束の集合となり、それぞれの微細ビームがラ
ンダムの半波長の位相差を持っている。 （Ｃ）試料の表面にある半導体膜に照射したレーザビー
ムを説明する。ランダム位相板１６を通過して、位相が
半波長ずれた微小なレーザビームの束が集光することに
より、相互干渉をおこす。試料表面上でのレーザビーム
は、ビーム断面が長軸を長手方向とし短軸を幅方向とす
る長方形である。幅方向のプロファイル２４が、幅方向
にガウシアン型の包絡線でかこまれたランダムノイズ状
の強度分布を持つ。このランダムノイズも、微細に見れ
ばガウシアン分布を有している。集光ビームの直前また
は直後にランダム位相板を配して、レーザビームを通過
させると、焦点部分にこのようなパターンが生ずること
は、核融合の技術分野で知られていた。Next, the function of the random phase plate and the function given to crystallization will be described. FIG. 4 is a detailed view of the area around the condenser lens, showing how the laser beam is focused and changes in the profile. FIG. 5 is a detailed explanatory diagram of a beam profile of a laser beam applied to a sample. (A) The laser beam immediately before incidence on the random phase plate 16 will be described. The beam cross section of the laser beam is a rectangle whose major axis is the longitudinal direction and whose minor axis is the width direction. The energy density profile 22 is Gaussian in the width direction and flat in the longitudinal direction. Also, all beams in the beam cross section have the same phase. (B) A laser beam that has passed through the random phase plate 16 and immediately before being incident on the condenser lens 17 will be described. The laser beam is
The beam cross section is a rectangle with the major axis as the longitudinal direction and the minor axis as the width direction, and the profile 23 has a Gaussian shape in the width direction and a flat shape in the longitudinal direction. Also, the beam cross section is a set of bundles of fine beams, and each fine beam has a random half-wave phase difference. (C) A laser beam applied to a semiconductor film on the surface of a sample will be described. By passing through the random phase plate 16 and condensing a bundle of minute laser beams whose phases are shifted by half a wavelength, mutual interference occurs. The laser beam on the sample surface has a rectangular cross section whose major axis is the longitudinal direction and whose minor axis is the width direction. The profile 24 in the width direction has a random noise-like intensity distribution surrounded by a Gaussian-type envelope in the width direction. This random noise also has a Gaussian distribution when viewed finely. It has been known in the art of nuclear fusion that a random phase plate is disposed immediately before or immediately after a focused beam and a laser beam is allowed to pass through such a pattern at a focal point portion.
【００３５】すなわち、位相が半波長だけずれた微小な
レーザビームの束が、集光レンズを通過して試料面に照
射されると、微小なレーザビームが相互に干渉をおこ
し、多数のピクセルを通過したレーザビームが干渉を起
こし、微小な干渉スペックルパターン２５の集合体とな
り、その包絡線２６は一個のピクセルを開口とした回折
パターンを集光した場合に等しくなる。ピクセルの数に
相当する数のビームの位相がランダムに異なっており、
その数のビームが異なった角度で重ね合わされ、焦点面
上の一部分を見ればその強度分布は相互干渉によりラン
ダムノイズ状になる。このランダムノイズ状の強度分布
はスペックルパターン２５と呼ばれる。スペックルパタ
ーン２５の最小ピッチは、入射ビーム形によって支配さ
れ、入射ビームの幅寸法Ｄに対して２ｄｆ／Ｄとなるこ
とが分かっている。That is, when a bundle of minute laser beams whose phases are shifted by a half wavelength passes through the condenser lens and irradiates the sample surface, the minute laser beams interfere with each other, and many pixels are formed. The transmitted laser beam causes interference to form an aggregate of minute interference speckle patterns 25, and its envelope 26 becomes equal when a diffraction pattern having one pixel as an aperture is collected. The number of beams corresponding to the number of pixels has randomly different phases,
That number of beams are superimposed at different angles, and when looking at a part on the focal plane, the intensity distribution becomes random noise due to mutual interference. This random noise-like intensity distribution is called a speckle pattern 25. It has been found that the minimum pitch of the speckle pattern 25 is governed by the shape of the incident beam and is 2 df / D with respect to the width D of the incident beam.
【００３６】幅方向にスペックルパターン２５をもつ線
状ビームがアモルファスシリコン膜に照射されると、一
定のエネルギー密度Ｅ以上のエネルギーによりアモルフ
ァスシリコンが溶解し、スペックル２５の急峻なエネル
ギー密度変化のある箇所では大きな粒径の結晶粒が成長
する。レーザビームを照射された試料面では、幅方向距
離Ｔと長手方向距離Ｌとで囲まれた長方形の領域で、密
にアモルファスシリコンが溶解し、大きな粒径の結晶粒
が成長する。幅方向距離Ｔは、レーザビームのエネルギ
ー密度の幅方向の包絡線がエネルギー密度Ｅ以上である
幅に等しく、長手方向距離Ｌは、レーザビームの長手方
向の長さに等しい。When a linear beam having a speckle pattern 25 in the width direction is irradiated on the amorphous silicon film, the amorphous silicon is melted by energy having a certain energy density E or more, and the energy density of the speckle 25 changes sharply. At certain locations, large crystal grains grow. On the surface of the sample irradiated with the laser beam, amorphous silicon is densely dissolved in a rectangular region surrounded by the distance T in the width direction and the distance L in the longitudinal direction, and crystal grains having a large particle size grow. The width direction distance T is equal to the width of the energy density of the laser beam in the width direction that is equal to or greater than the energy density E, and the longitudinal distance L is equal to the length of the laser beam in the longitudinal direction.
【００３７】レーザビームを試料に照射する手順を図を
もとに説明する、図６は、幅方向のレーザビームの照射
の手順を示す図である。最初に、１回目のレーザ照射を
行うと、幅寸法Ｔの範囲でアモルファスシリコンが溶融
し結晶化する。２回目に幅方向にＴだけずらして、レー
ザ照射をおこなと、幅寸法Ｔの範囲でアモルファスシリ
コンが溶融し結晶化する。３回目に幅方向にＴだけずら
して、レーザ照射をおこなと、幅方向の寸法Ｔの範囲で
アモルファスシリコンが溶融し結晶化する。以下、同様
にしてＮ回のレーザ照射をおこなうと、幅方向の寸法が
Ｔ×Ｎで長手寸法がＬである四辺形の領域のアモルファ
スシリコンが結晶化する。図７は、結晶化したシリコン
膜の模式図である。１μｍ以上のシリコン結晶が密に配
列している。以上の説明した方法で、試料をレーザアニ
ールすると、シリコン膜はレーザに照射され、幅方向に
溶解しながら順次固まるので、固まる際に結晶化する。
この方法により１μｍ程度までの大きさの結晶をつくる
ことができる。The procedure for irradiating the sample with the laser beam will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a diagram showing the procedure for irradiating the laser beam in the width direction. First, when the first laser irradiation is performed, amorphous silicon is melted and crystallized in the range of the width dimension T. When laser irradiation is performed for the second time while being shifted by T in the width direction, amorphous silicon is melted and crystallized within the width dimension T. When laser irradiation is performed for the third time, shifted by T in the width direction, amorphous silicon is melted and crystallized in the range of the dimension T in the width direction. Thereafter, when laser irradiation is performed N times in the same manner, amorphous silicon in a quadrangular region having a width dimension of T × N and a longitudinal dimension of L is crystallized. FIG. 7 is a schematic diagram of a crystallized silicon film. Silicon crystals of 1 μm or more are densely arranged. When the sample is laser-annealed by the method described above, the silicon film is irradiated with the laser and solidifies sequentially while melting in the width direction.
With this method, crystals having a size of up to about 1 μm can be formed.
【００３８】上述の実施形態のレーザアニール方法とレ
ーザアニール装置を用いれば、スペックルパターンのレ
ーザビームがアモルファスシリコンに照射されるので、
大きな粒径の結晶粒子が成長する。また、ランダムノイ
ズ状のスペックルパターンのレーザビームがアモルファ
スシリコンに照射されるので、レーザビームが照射され
た領域で密にシリコンが溶融し結晶化するので、大きな
粒径の結晶粒子が均一に分布する。また、スペックルパ
ターンの包絡域がガウシアン分布であるので、レーザビ
ームのエネルギー密度により溶解し結晶化する領域が安
定している。また、順次にレーザ照射領域を幅方向に重
ねるので、広い領域を安定して結晶化できる。また、１
回での照射で照射領域全体のアモルファスシリコンの溶
融と結晶化が完了するので、広い領域のレーザアニール
処理が短時間にできる。また、線状ビームを用いるの
で、広い領域を１回のスキャンで結晶化できる。When the laser annealing method and the laser annealing apparatus of the above embodiment are used, the amorphous silicon is irradiated with the laser beam having the speckle pattern.
Large crystal grains grow. In addition, since the amorphous silicon is irradiated with a laser beam having a speckle pattern in the form of random noise, the silicon is densely melted and crystallized in the region irradiated with the laser beam, so that crystal grains having a large particle size are uniformly distributed. I do. Further, since the envelope region of the speckle pattern has a Gaussian distribution, the region that melts and crystallizes due to the energy density of the laser beam is stable. Further, since the laser irradiation regions are sequentially overlapped in the width direction, a wide region can be crystallized stably. Also, 1
Since the melting and crystallization of the amorphous silicon in the entire irradiation area are completed by the irradiation in one cycle, laser annealing of a wide area can be performed in a short time. Further, since a linear beam is used, a wide area can be crystallized by one scan.
【００３９】本発明は以上に述べた実施形態に限られる
ものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変
更が可能である。位相板を集光レンズの光軸上の上流に
おいたがこれに限定されず、例えば、集光レンズの光軸
上の下流においてもよい。また、位相板と集光レンズを
別体としたがこれに限定されず、例えば、集光レンズの
平面の片面に位相差を付けるためのコーティングを施し
てもよい。また、位相板を透過光としたがこれに限定さ
れず、例えば反射光としてもよい、また例えば、４５度
反射板の反射面に位相差を付けるためのコーティングを
施してもよい。また、位相差を半波長としたがこれに限
定されず、スペックルパターンが生ずるだけの位相差が
あればよい。また、ランダム位相板で説明したが、これ
に限定されず、例えば、ある程度の規則性が位相差をお
こさせるコーティング層の配置にあってもよい。また、
ランダム位相板は、厳密なランダム性を必要とせず、ス
ペックルパターンが生ずるだけの不規則性があればよ
い。また、レーザビームの試料への照射面を照射毎にず
らすのにテーブルを移動する例で説明したがこれに限定
されず、レーザ光学系をずらしてもよいし、またスキャ
ンミラーを使用して、レーザビームをスキャンしてもよ
い。また、線状ビームを使用する例で説明したがこれに
限定されず、ビーム断面が円状のビームをスキャンして
もよい、The present invention is not limited to the embodiment described above, and various changes can be made without departing from the gist of the invention. Although the phase plate is located upstream on the optical axis of the condenser lens, the present invention is not limited to this. For example, the phase plate may be located downstream on the optical axis of the condenser lens. Further, the phase plate and the condenser lens are provided separately, but the present invention is not limited to this. For example, a coating for providing a phase difference may be applied to one surface of the plane of the condenser lens. Further, although the phase plate is transmitted light, the present invention is not limited to this. For example, reflected light may be used. For example, a coating for giving a phase difference to the reflection surface of the 45-degree reflection plate may be applied. Further, the phase difference is set to a half wavelength, but the present invention is not limited to this, and it is sufficient that the phase difference is sufficient to generate a speckle pattern. In addition, although the description has been made of the random phase plate, the present invention is not limited to this. For example, the arrangement of the coating layer that causes a phase difference to some degree may be employed. Also,
The random phase plate does not need strict randomness, but only needs to have an irregularity enough to generate a speckle pattern. Also, the example in which the table is moved to shift the irradiation surface of the laser beam to the sample for each irradiation has been described. However, the present invention is not limited to this, and the laser optical system may be shifted, or a scan mirror may be used. The laser beam may be scanned. Also, the example using a linear beam has been described, but the present invention is not limited to this, and a beam having a circular cross section may be scanned.
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体膜を
結晶化するレーザアニール方法は、その構成により、以
下の効果を有する。レーザが、発振して発射され、半導
体膜面に集光され、ビームを微小分割されてできた微小
ビーム毎に位相差をつけられ、集光したレーザを半導体
膜に照射される、または、レーザが、発振して発射さ
れ、ビームを微小ビームに分割して微小ビーム毎に位相
差をつけられ、半導体膜面に集光され、集光したレーザ
を半導体膜に照射されるので、位相差のある微小なレー
ザビームの束が半導体膜に集光されて相互干渉が生じス
ペックルパターンとなり、そのペックルパターンのレー
ザが半導体膜に照射され、半導体膜に粒径の大きな結晶
粒が成長する。また、レーザが、レーザに位相差を与え
る複数のコーティングがレーザ透過面に配置された位相
板に通過させられ、または、レーザに位相差を与える複
数のコーティングがレーザ反射面に配置された位相板を
に反射させられるので、位相差のある微小なレーザビー
ムの束が半導体膜に集光されて相互干渉が生じスペック
ルパターンとなり、そのペックルパターンのレーザが半
導体膜に照射され、半導体膜に粒径の大きな結晶粒が成
長する。また、集光しスペックルパターンを持つレーザ
が半導体膜に照射される毎に、半導体膜でのレーザの照
射位置をレーザビーム幅より小さいステップ距離Ｔだけ
レーザビーム幅方向にずらして、さらに集光しスペック
ルパターンを持つレーザが半導体膜に照射されるので、
半導体膜面に粒径の大きな結晶粒がステップ距離Ｔ毎に
成長する。また、集光したレーザが半導体膜に照射され
る毎に、半導体膜でのレーザの照射位置をレーザビーム
の１回の照射で半導体膜が溶解するレーザビーム幅方向
の幅距離にほぼ等しいステップ距離Ｔだけレーザビーム
幅方向にずらし、さらに集光したレーザが半導体膜に照
射されるので、半導体膜面に粒径の大きな結晶粒がステ
ップ距離Ｔ毎に連続して成長する。また、位相差がレー
ザ波長の半波長分であるので、レーザ波長の半波長分の
位相差のある微小なレーザビームの束が半導体膜に集光
されて相互干渉が生じ大きなエネルギー密度のピークを
もつスペックルパターンとなり、そのレーザビームが照
射され、半導体膜により粒径の大きな結晶粒が成長す
る。また、レーザが、ビームを微小ビームに分割され、
微小ビーム毎に不規則に位相差をつけられるので、位相
差のある微小なレーザビームの束が半導体膜に集光され
て相互干渉が生じスペックルパターンの包絡線がほぼガ
ウシアン分布曲線となり、そのレーザビームが照射さ
れ、半導体膜に粒径の大きな結晶粒が均一に成長する。
また、線状レーザが線方向の直交方向に集光されるの
で、幅方向に位相差のある微小なレーザビームの束が半
導体膜に幅方向に集光されて相互干渉が生じ、スペック
ルパターンを持つ線状ビームとなり、そのスペックルパ
ターンを持ったレーザビームが半導体膜に照射され、半
導体膜に粒径の大きな結晶粒が線状の領域に成長する。
従って、移動度が今以上に良好なシリコン膜を得ること
のできるレーザアニール方法を提供できる。As described above, the laser annealing method for crystallizing a semiconductor film according to the present invention has the following effects depending on its configuration. A laser is oscillated and emitted, focused on a semiconductor film surface, and a beam is finely divided, and a phase difference is provided for each minute beam, and the focused laser is irradiated on the semiconductor film, or However, the beam is oscillated and emitted, the beam is divided into minute beams, a phase difference is given to each minute beam, the light is focused on the semiconductor film surface, and the focused laser is irradiated on the semiconductor film. A bundle of a minute laser beam is condensed on the semiconductor film to cause mutual interference to form a speckle pattern. The laser having the pecking pattern is irradiated on the semiconductor film, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film. In addition, a laser is passed through a phase plate having a plurality of coatings that provide a phase difference to the laser disposed on a laser transmitting surface, or a phase plate having a plurality of coatings that provide a phase difference to the laser disposed on a laser reflecting surface. Is reflected on the semiconductor film, and a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film to cause mutual interference to form a speckle pattern. Large crystal grains grow. Further, each time a laser beam having a speckle pattern is focused on the semiconductor film, the laser irradiation position on the semiconductor film is shifted in the laser beam width direction by a step distance T smaller than the laser beam width to further focus. Since the semiconductor film is irradiated with a laser having a speckle pattern,
Crystal grains having a large grain size grow on the surface of the semiconductor film at every step distance T. In addition, each time the condensed laser is irradiated on the semiconductor film, the laser irradiation position on the semiconductor film is set to a step distance substantially equal to the width in the laser beam width direction in which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam. Since the semiconductor film is irradiated with a laser beam shifted by T in the laser beam width direction and further focused, crystal grains having a large grain size continuously grow on the semiconductor film surface at every step distance T. In addition, since the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength, a bundle of minute laser beams having a phase difference of a half wavelength of the laser wavelength is condensed on the semiconductor film, causing mutual interference and causing a peak of a large energy density. The laser beam is irradiated, and a crystal grain having a large grain size grows by the semiconductor film. Also, the laser splits the beam into small beams,
Since the phase difference can be irregularly set for each minute beam, a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film, causing mutual interference, and the envelope of the speckle pattern becomes almost a Gaussian distribution curve. Irradiation with a laser beam causes large crystal grains to grow uniformly on the semiconductor film.
In addition, since the linear laser is focused in the direction orthogonal to the linear direction, a bundle of minute laser beams having a phase difference in the width direction is focused on the semiconductor film in the width direction, causing mutual interference, and a speckle pattern is generated. The semiconductor film is irradiated with a laser beam having the speckle pattern, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film in a linear region.
Therefore, it is possible to provide a laser annealing method capable of obtaining a silicon film having better mobility than before.
【００４１】また、以上説明したように本発明の半導体
膜を結晶化するレーザアニール装置は、その構成によ
り、以下の効果を有する。レーザ発振光学系が、レーザ
を発振し発射し、そのレーザが、集光レンズに通されて
集光し、レーザに位相差を与える複数のコーティングが
レーザ透過面又はレーザ反射面に配置される位相板に集
光レンズの前または後の光軸上で通され、集光したレー
ザが半導体膜に照射されるので、位相差のある微小なレ
ーザビームの束が半導体膜に集光されて相互干渉が生じ
スペックルパターンとなり、そのスペックルパターンを
持つレーザビームが半導体膜に照射され、半導体膜に粒
径の大きな結晶粒が成長する。また、レーザ発振光学系
がレーザを発振し発射し、そのレーザがレーザに位相差
を与える複数のコーティングがレーザ透過面に配置され
る集光レンズに通されて集光し、集光したレーザを半導
体膜に照射されるので、位相差のある微小なレーザビー
ムの束が半導体膜に集光されて相互干渉が生じスペック
ルパターンとなり、そのスペックルパターンを持つレー
ザビームが半導体膜に照射され、半導体膜に粒径の大き
な結晶粒が成長する。また、集光しスペックルパターン
を持つレーザが半導体膜に照射される毎に、基板支持装
置が基板をレーザビーム幅より小さいステップ距離Ｔだ
けレーザビーム幅方向の一方にずらし、さらに集光しス
ペックルパターンを持つレーザが半導体膜に照射される
ので、半導体膜面に粒径の大きな結晶粒がステップ距離
Ｔ毎に成長する。また、集光しスペックルパターンを持
つレーザが半導体膜に照射される毎に、基板支持装置が
基板をレーザビームの１回の照射で半導体膜が溶解する
レーザビーム幅方向の幅距離にほぼ等しいステップ距離
Ｔだけレーザビーム幅方向の一方にずらし、さらにさら
に集光しスペックルパターンを持つレーザが半導体膜に
照射されるので、半導体膜面に粒径の大きな結晶粒がス
テップ距離Ｔ毎に連続して成長する。また、位相差がレ
ーザ波長の半波長分であるので、レーザ波長の半波長分
の位相差のある微小なレーザビームの束が半導体膜に集
光されて相互干渉が生じ大きなエネルギー密度のピーク
をもつスペックルパターンとなり、そのレーザビームが
照射され、半導体膜により粒径の大きな結晶粒が成長す
る。また、前記複数のコーティングが、レーザビーム幅
方向に不規則に配置されるので、位相差のある微小なレ
ーザビームの束が半導体膜に集光されて相互干渉が生じ
スペックルパターンの包絡線がガウシアン分布曲線とな
り、そのレーザビームが照射され、半導体膜に粒径の大
きな結晶粒が均一に成長する。また、レーザ発振光学系
が線状レーザを発振し、その線状レーザがシリンドリカ
ルレンズにより集光されるので、位相差のある微小なレ
ーザビームの束が半導体膜に幅方向に集光されて相互干
渉が生じ、スペックルパターンを持った線状ビームとな
り、そのスペックルパターンを持ったレーザビームが半
導体膜に照射され、半導体膜に粒径の大きな結晶粒が線
状の領域に成長する。従って、移動度が今以上に良好な
シリコン膜を得ることのできるレーザアニール装置を提
供できる。Further, as described above, the laser annealing apparatus for crystallizing a semiconductor film of the present invention has the following effects depending on its configuration. A laser oscillation optical system oscillates and emits a laser, and the laser is condensed through a condenser lens, and a plurality of coatings that give a phase difference to the laser are arranged on a laser transmitting surface or a laser reflecting surface. The laser beam is passed through the plate on the optical axis before or after the condenser lens, and the focused laser is irradiated on the semiconductor film, so that a small laser beam bundle with a phase difference is focused on the semiconductor film and interferes with each other Is generated and a speckle pattern is formed. A laser beam having the speckle pattern is irradiated on the semiconductor film, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film. In addition, a laser oscillation optical system oscillates and emits a laser, and the laser passes through a condenser lens arranged on a laser transmitting surface, and is focused by a plurality of coatings that give a phase difference to the laser. Since the semiconductor film is irradiated, a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film, causing mutual interference to form a speckle pattern, and the laser beam having the speckle pattern is irradiated on the semiconductor film, Large crystal grains grow on the semiconductor film. In addition, each time the semiconductor film is irradiated with a laser having a speckle pattern and condensed, the substrate support apparatus shifts the substrate by a step distance T smaller than the laser beam width to one side in the laser beam width direction. Since the semiconductor film is irradiated with a laser having a laser pattern, crystal grains having a large grain size grow on the surface of the semiconductor film at every step distance T. In addition, each time the semiconductor film is irradiated with a laser having a speckle pattern after being condensed, the substrate supporting device substantially equals the width distance in the laser beam width direction in which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam. The semiconductor film is shifted to one side in the laser beam width direction by the step distance T, and further focused and a laser having a speckle pattern is irradiated on the semiconductor film. And grow. In addition, since the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength, a bundle of minute laser beams having a phase difference of a half wavelength of the laser wavelength is condensed on the semiconductor film, causing mutual interference and causing a peak of a large energy density. The laser beam is irradiated, and a crystal grain having a large grain size grows by the semiconductor film. Further, since the plurality of coatings are arranged irregularly in the laser beam width direction, a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film, causing mutual interference and causing an envelope of a speckle pattern. A Gaussian distribution curve is formed, and the laser beam is irradiated, and crystal grains having a large grain size grow uniformly in the semiconductor film. In addition, since the laser oscillation optical system oscillates a linear laser and the linear laser is condensed by the cylindrical lens, a bundle of minute laser beams having a phase difference is condensed on the semiconductor film in the width direction and crossed. Interference occurs, resulting in a linear beam having a speckle pattern. A laser beam having the speckle pattern is irradiated on the semiconductor film, and crystal grains having a large grain size grow on the semiconductor film in a linear region. Therefore, it is possible to provide a laser annealing apparatus capable of obtaining a silicon film having better mobility than before.
【００４２】[0042]
【図１】本発明の実施形態の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施形態の部分平面図である。FIG. 2 is a partial plan view of the embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施形態の部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施形態の部分詳細図である。FIG. 4 is a partial detailed view of an embodiment of the present invention.
【図５】本発明の実施形態の詳細説明図である。FIG. 5 is a detailed explanatory diagram of the embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施形態のレーザ照射手順説明図であ
る。FIG. 6 is an explanatory diagram of a laser irradiation procedure according to the embodiment of the present invention.
【図７】本発明の実施形態の結晶化の模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram of crystallization according to an embodiment of the present invention.
【図８】従来の装置の概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram of a conventional device.
【図９】従来のレーザ照射手順説明図である。FIG. 9 is an explanatory view of a conventional laser irradiation procedure.
【図１０】従来の結晶化の模式図１である。FIG. 10 is a schematic diagram 1 of a conventional crystallization.
【図１１】従来の結晶化の模式図２である。FIG. 11 is a schematic diagram 2 of conventional crystallization.
【図１２】低温ポリシリコンＴＦＴの製造プロセスであ
る。FIG. 12 is a manufacturing process of a low-temperature polysilicon TFT.
１０ レーザアニール装置 １１ レーザ発振光学系 １２ レーザ発信器 １３ アッテネータ １４ ビームホモジナイザー １５ 反射板 １６ 位相板 １７ 集光レンズ １８ 試料 １９ ステージ ２０ ピクセル ２１ ピクセル ２２ ビームプロファイル ２３ ビームプロファイル ２４ ビームプロファイル ２５ スペックル ２６ 包絡線 ２７ 照射領域 ２８ 結晶粒 ３０ レーザアニール装置 ３１ レーザ発振光学系 ３２ レーザ発信器 ３３ アッテネータ ３４ ビームホモジナイザー ３５ 反射板 ３６ 集光レンズ ３７ 試料 ３８ ステージ ３９ トップハット型プロファイル ４０ 結晶粒 ５０ ガウシアン型プロファイル ５１ アモルファス薄膜 ５２ 大きい結晶粒 ５３ 小さい結晶粒 ５４ 小さい結晶粒 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser annealing apparatus 11 Laser oscillation optical system 12 Laser oscillator 13 Attenuator 14 Beam homogenizer 15 Reflector 16 Phase plate 17 Condensing lens 18 Sample 19 Stage 20 Pixel 21 Pixel 22 Beam profile 23 Beam profile 24 Beam profile 25 Speckle 26 Envelope Line 27 Irradiation area 28 Crystal grain 30 Laser annealing device 31 Laser oscillation optical system 32 Laser oscillator 33 Attenuator 34 Beam homogenizer 35 Reflector 36 Condenser lens 37 Sample 38 Stage 39 Top hat profile 40 Crystal grain 50 Gaussian profile 51 Amorphous Thin film 52 Large grains 53 Small grains 54 Small grains
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河口 紀仁 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 正木 みゆき 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 芳之内 淳 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA07 BB02 BB07 CA02 DA02 5F110 AA01 AA16 AA17 BB01 CC02 DD02 FF02 GG02 GG13 GG16 HM15 PP03 PP05 PP06 PP23 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kino Kawaguchi 3-1-1, Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima Harima Heavy Industries, Ltd. Tokyo Engineering Center (72) Inventor Miyuki Masaki 3-1-1, Toyosu, Koto-ku, Tokyo 15 Ishikawajima Harima Heavy Industries, Ltd. Tokyo Engineering Center (72) Inventor Jun Yoshinouchi 3-1-1, Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima Harima Heavy Industries, Ltd. Tokyo Engineering Center F-term (reference) 5F052 AA02 BA07 BB02 BB07 CA02 DA02 5F110 AA01 AA16 AA17 BB01 CC02 DD02 FF02 GG02 GG13 GG16 HM15 PP03 PP05 PP06 PP23
Claims (14)
であって、レーザを発振し発射するレーザ発振工程と、
前記レーザを半導体膜面に集光させるレーザ集光工程
と、前記レーザのビームを微小ビームに分割して微小ビ
ーム毎に位相差をつけるレーザ位相変調工程と、集光し
たレーザを半導体膜に照射するレーザ照射工程とを備
え、レーザ位相変調工程がレーザ集光工程の前工程また
は後工程の一方として行うことを特徴とするレーザアニ
ール方法。1. A laser annealing method for crystallizing a semiconductor film, comprising: a laser oscillation step of oscillating and emitting a laser;
A laser focusing step of focusing the laser on a semiconductor film surface, a laser phase modulation step of dividing the laser beam into minute beams and providing a phase difference for each minute beam, and irradiating the semiconductor film with the focused laser A laser irradiation step, wherein the laser phase modulation step is performed as one of a step before and after the laser focusing step.
与える複数のコーティングがレーザ透過面またはレーザ
反射面に配置された位相板を用意し、前記レーザをその
位相板に通過または反射の一方をさせることを特徴とす
る請求項１に記載のレーザアニール方法2. A laser phase modulation step comprising: preparing a phase plate on which a plurality of coatings for giving a phase difference to a laser are disposed on a laser transmitting surface or a laser reflecting surface, and passing or reflecting the laser to the phase plate. 2. The laser annealing method according to claim 1, wherein
体膜に照射する毎に、半導体膜でのレーザの照射位置を
ステップ距離Ｔだけレーザビーム幅方向にずらし、ステ
ップ距離Ｔがレーザビーム幅より小さいことを特徴とす
る請求項１又は請求項２の一つに記載のレーザアニール
方法3. In the laser irradiation step, the irradiation position of the laser beam on the semiconductor film is shifted in the laser beam width direction by a step distance T every time the converged laser beam is irradiated on the semiconductor film. The laser annealing method according to claim 1, wherein the laser annealing method is smaller.
射で半導体膜が溶解するレーザビーム幅方向の幅寸法に
ほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載のレーザア
ニール方法4. The laser annealing method according to claim 3, wherein the step distance T is substantially equal to a width in a laser beam width direction at which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam.
を特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のレーザアニ
ール方法5. The laser annealing method according to claim 1, wherein the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength.
規則に位相差をつけることを特徴とする請求項１乃至請
求項５に記載のレーザアニール方法6. The laser annealing method according to claim 1, wherein in the laser phase modulation step, a phase difference is irregularly provided for each minute beam.
レーザを幅方向に線状に延ばして線状レーザに変換して
発射し、レーザ集光工程が、線状レーザを線方向の直交
方向に集光させることを特徴とする請求項１乃至請求項
６に記載のレーザアニール方法7. The laser oscillation step oscillates the laser, linearly extends the laser in the width direction, converts the laser into a linear laser, and emits the laser. The laser condensing step includes orthogonally crossing the linear laser in the linear direction. 7. The laser annealing method according to claim 1, wherein light is condensed in a direction.
ール装置であって、レーザを発振し発射するレーザ発振
光学系と、レーザ光軸上に配置された集光レンズと集光
レンズの前または後の光軸上に配置された位相板と、集
光したレーザが半導体膜に当たる様に基板を支持する基
板支持装置とを備え、前記位相板はレーザに位相差を与
える複数のコーティングがレーザ透過面またはレーザ反
射面に配置される、ことを特徴とするレーザアニール装
置8. A laser annealing apparatus for crystallizing a semiconductor film on a substrate, comprising: a laser oscillation optical system that oscillates and emits a laser; a condenser lens disposed on a laser optical axis; Alternatively, a phase plate disposed on the optical axis later, and a substrate supporting device for supporting the substrate so that the focused laser beam hits the semiconductor film, wherein the phase plate has a plurality of coatings that impart a phase difference to the laser. A laser annealing apparatus, which is disposed on a transmission surface or a laser reflection surface.
ール装置であって、レーザを発振し発射するレーザ発振
光学系と、レーザ光軸上に配置された集光レンズと集光
したレーザが半導体膜に当たる様に基板を支持する基板
支持装置とを備え、前記集光レンズのレーザ透過面にレ
ーザに位相差を与える複数のコーティングが配置され
る、ことを特徴とするレーザアニール装置9. A laser annealing apparatus for crystallizing a semiconductor film on a substrate, comprising: a laser oscillation optical system for oscillating and emitting a laser; a condenser lens disposed on the laser optical axis; A substrate supporting device for supporting the substrate so as to hit the semiconductor film, wherein a plurality of coatings for giving a phase difference to a laser are arranged on a laser transmitting surface of the condenser lens, wherein the laser annealing device is provided.
体膜に照射する毎に、基板をステップ距離Ｔだけレーザ
ビーム幅方向の一方にずらし、ステップ幅Ｔがレーザビ
ーム幅より小さいことを特徴とする請求項８又は請求項
９の一つに記載のレーザアニール装置10. Each time the substrate support device irradiates a converged laser beam to the semiconductor film, the substrate is shifted in the laser beam width direction by a step distance T, and the step width T is smaller than the laser beam width. The laser annealing apparatus according to one of claims 8 and 9,
の照射で半導体膜が溶解するレーザビーム幅方向の幅寸
法にほぼ等しいことを特徴とする請求項１０に記載のレ
ーザアニール装置11. The laser annealing apparatus according to claim 10, wherein the step distance T is substantially equal to a width dimension in a laser beam width direction in which the semiconductor film is melted by one irradiation of the laser beam.
とを特徴とする請求項８乃至請求項１１に記載のレーザ
アニール装置12. The laser annealing apparatus according to claim 8, wherein the phase difference is a half wavelength of the laser wavelength.
幅方向に不規則に配置されることを特徴とする請求項８
乃至請求項１２に記載のレーザアニール装置13. The method according to claim 8, wherein the plurality of coatings are arranged irregularly in a laser beam width direction.
13. A laser annealing apparatus according to claim 12.
幅方向の一方に線状に延ばして線状レーザに変換する光
学系を有し、集光レンズがシリンドリカルレンズである
ことを特徴とする請求項８乃至請求項１３に記載のレー
ザアニール装置14. A laser oscillation optical system having an optical system for linearly extending an oscillated laser beam in one of width directions and converting the laser beam into a linear laser beam, wherein the condenser lens is a cylindrical lens. 14. A laser annealing apparatus according to claim 8.
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