JP2003109912A

JP2003109912A - レーザアニール装置

Info

Publication number: JP2003109912A
Application number: JP2001305661A
Authority: JP
Inventors: Koji Soma; 功児相馬; Takashi Yamamoto; 貴史山本; Katsuya Ishikawa; 克也石川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】処理速度を落とすことなく、またパルスレー
ザのバラツキを増加させることなく同一箇所へのレーザ
の照射回数を増やすことができ、１パルスの時間的な長
さを調整することができるレーザアニール装置を提供す
る。【解決手段】レーザ発振器を少なくとも２台備え、そ
れぞれのレーザ発振器から発振された複数のレーザ光が
一つの光路を通り、非晶質薄膜が堆積した被照射基板に
照射されるレーザアニール装置であって、複数のレーザ
発振器から発振された複数のレーザ光が、一定の均等な
間隔を保ちながら交互に被照射基板へ照射されることに
よって、被照射基板へのレーザ照射周期を見かけ上短縮
できるように、あるいは２つのパルスレーザを重ね合せ
ることで、被照射基板へ照射されるパルスレーザの波形
を変形できるように、複数のレーザ発振器の発振間隔を
調整できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置用の
薄膜トランジスタ、イメージセンサ等の製造工程に用い
られる非晶質薄膜のレーザアニール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置はノートパソコンや
ビデオカメラ等の需要により、大型化、高精細化の要求
がますます高まっている。かかる大型化かつ高精細化へ
の要求に答えるものとして本命視されている低温ポリシ
リコン（多結晶シリコン）薄膜トランジスタアレイを用
いた液晶表示装置は、最近の製造技術の進展により、量
産化への動きがさらに本格化してきた。

【０００３】低温ポリシリコンを用いた液晶表示装置の
大きな特徴としては、アモルファスシリコンを用いた液
晶表示装置に比べて、その薄膜トランジスタ自体の性能
が優れている点にある。例えば、電子の移動度が高いこ
とによって、応答速度が早いこと等が挙げられる。

【０００４】これにより、アモルファスシリコンを用い
た液晶表示装置においては、薄膜トランジスタの性能が
駆動回路を動かすには不十分であるために、外付けのＩ
Ｃチップを用いる必要があるのに対して、低温ポリシリ
コンを用いた液晶表示装置では、画素部を形成すると同
時に駆動回路をガラス基板上に形成することが可能とな
る。したがって、製造工程数を削減することができ、コ
ストの削減、狭額縁化等が可能となる。

【０００５】また、アモルファスシリコンを用いた液晶
表示装置のように駆動回路をＩＣチップにて外付けする
場合においては、実装部電極の物理的制約から画素数が
制限されてしまうのに対して、低温ポリシリコンを用い
た液晶表示装置においては駆動回路が内蔵されているた
めにこのような物理的制約がなく、画素数を任意に増加
させることができることから、画面の高精細化が可能と
なる。

【０００６】上述したような低温ポリシリコンを用いた
薄膜トランジスタの性能を決定している大きな要素とし
ては、ポリシリコン膜の特性が挙げられる。ポリシリコ
ンとは多結晶シリコンのことを意味しており、かかる多
結晶の粒径が大きく、結晶内の欠陥が少なく、結晶の粒
界が少ないほど、電子の移動度が高くなり、薄膜トラン
ジスタの性能は向上する。

【０００７】また、薄膜トランジスタの均一な特性を得
るためには、結晶の大きさについても均一でなければな
らない。理想的には、各薄膜トランジスタが単結晶シリ
コン膜で形成されることである。

【０００８】次に、レーザアニール法により低温ポリシ
リコン膜を形成する一般的な方法について説明する。ま
ず、ガラス基板上にアモルファスシリコンを堆積し、次
にレーザアニールにおいて障害となるアモルファスシリ
コン中に含まれる水素を４５０℃程度の熱処理により脱
離させる。

【０００９】そして、長方形、例えば横幅２００ｍｍ、
縦幅３５０μｍに整形したパルスレーザを、一定の速度
で移動するステージに載せられたアモルファスシリコン
に重畳照射してアモルファスシリコンを溶融させ、その
後固化する徐冷過程において多結晶シリコンが形成され
る。かかる多結晶化工程においては、通常エキシマレー
ザを用いていることから、かかる多結晶化工程はエキシ
マレーザアニール工程とも呼ばれている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ポリシリコン膜におい
て重要となるポイントは、その結晶性である。すなわ
ち、結晶粒径の大きさやその均一性、結晶粒の界面状態
等である。ポリシリコン膜はアモルファスシリコン膜の
溶解、及び特にその固化過程において形成されるので、
結晶粒径を増大させ、粒内・粒界の欠陥を少なくするに
は、より緩やかな固化（徐冷過程）を行うことが要求さ
れる。

【００１１】徐冷過程をより緩やかにするために、レー
ザアニールに用いるパルスレーザの同一箇所への照射回
数、照射波形を制御する方法が考えられている。すなわ
ち、同一箇所への照射回数を増やすために、アモルファ
スシリコンが載せられたステージの速度を遅くしたり、
パルスレーザの発振周期を増加させること等である。

【００１２】しかし、ステージ速度を遅くすると、レー
ザアニール処理の速度自体が遅くなってしまうという問
題が発生し、またパルスレーザの発振周期を増加させる
と、レーザのバラツキ増加が伴う等、現状では装置自体
の能力不足になってしまうという問題が生じることにな
る。

【００１３】そして、パルスレーザ波形の整形である
が、一般的には光学レンズを通すことで上述したような
横幅２００ｍｍ、縦幅３５０μｍの長方形のビーム形状
を得ている。この縦幅が広がるほど１パルスあたりの照
射面積が広がり、一箇所に照射されるパルスレーザ数も
増加することになる。

【００１４】しかし、面積を大きくするということはエ
ネルギーの分散にも直結しており、現状のエキシマレー
ザアニール装置においては、上述したようなサイズが実
用域であることもまた事実である。

【００１５】また、１パルスの時間的な長さが長くなる
ほど照射時間が長くなり、徐冷過程を緩やかに処理する
ことができる。現状の一般的なエキシマレーザ装置では
照射時間が３０ｎｓ程度であり、これ以上の照射時間を
得るためには、新たな装置の開発を望むしかない。

【００１６】本発明は、上記問題点を解消するべく、処
理速度を落とすことなく、またパルスレーザのバラツキ
を増加させることなく同一箇所へのレーザの照射回数を
増やすことができ、１パルスの時間的な長さを調整する
ことができるレーザアニール装置を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にかかるレーザアニール装置は、レーザ発振器
を少なくとも２台備え、それぞれのレーザ発振器から発
振された複数のレーザ光が一つの光路を通り、非晶質薄
膜が堆積した被照射基板に照射されることを特徴とす
る。

【００１８】かかる構成により、２台以上のレーザ発振
器から発振されたパルスレーザを一つの被照射部に照射
させることで、被照射膜に照射されるパルスレーザの周
波数をレーザ発振器の数だけ倍増させることを可能と
し、処理速度を落とさず、かつパルスレーザのバラツキ
を増加させずに、同一箇所への照射回数を増加させるこ
とができ、ポリシリコン膜の結晶性を向上させることが
可能となる。

【００１９】また、本発明にかかるレーザアニール装置
は、複数のレーザ発振器について、被照射基板の搬送を
制御する装置とは独立して同期をとることができること
が好ましい。発振同期を任意の間隔でとることができる
ことから、レーザパルスのポリシリコン膜への照射方法
を任意に調整することができるからである。

【００２０】すなわち、レーザパルスのポリシリコン膜
への照射方法によってポリシリコンの結晶成長を調整す
ることができ、例えば複数のレーザ発振器から発振され
たレーザパルス間の周期を等間隔に設定したり、複数の
レーザ発振器間のレーザパルス間隔は短めにし、単体の
レーザ発振器からのレーザパルス間隔を長めに設定する
等、調整可能となる。

【００２１】また、本発明にかかるレーザアニール装置
は、複数のレーザ発振器から発振された複数のレーザ光
が、一定の均等な間隔を保ちながら交互に被照射基板へ
照射されることによって、被照射基板へのレーザ照射周
期を見かけ上短縮することが好ましい。処理速度を落と
さず、かつパルスレーザのバラツキを増加させずに、同
一箇所への照射回数を増加させることができ、ポリシリ
コン膜の結晶性を向上させることができるからである。

【００２２】また、本発明にかかるレーザアニール装置
は、複数のレーザ発振器の発振間隔を調整し、２つのパ
ルスレーザを重ね合せることで、被照射基板へ照射され
るパルスレーザの波形を変形させることが好ましい。パ
ルスの時間方向の波形を変形することができ、これによ
って１パルス当たりの時間的な長さを長くすることがで
きることから、被照射基板の結晶性を向上させることが
できるからである。

【００２３】また、本発明にかかるレーザアニール装置
は、２つのレーザ発振器により発信された２つのパルス
レーザにおいて、一方のパルスレーザからは垂直偏向の
レーザが、他方のパルスレーザからは水平偏向のレーザ
が発振されるとともに、一方のパルスレーザが偏向ビー
ムスプリッタを全透過し、他方のパルスレーザが全反射
されることによって、最終的に同一の光路を通ることが
好ましい。

【００２４】次に、上記目的を達成するために本発明に
かかるレーザアニール装置は、１台のレーザ発振器から
発振されたパルスレーザを１パルスごとに２つのパルス
レーザに分岐させ、分岐されたパルスレーザを光路差の
ある相異なる２つの光路に入射した後、再び同一の光路
に合流させることで分岐されたパルスレーザを重ね合わ
せて被照射基板に照射するレーザアニール装置であっ
て、光路差によって、分岐されたパルスレーザを合流さ
せる際に、一定の均等な間隔を保ちながら、１パルスご
と交互に被照射基板に照射できるように調整することを
特徴とする。

【００２５】かかる構成により、１台のレーザ発振器か
ら発振されたパルスレーザを、２つの光路差のある光学
系に１パルスごとに分岐し、被照射基板には分岐された
２つのパルスレーザを重ね合わせた波形を用いること
で、被照射膜に照射されるパルスレーザの周波数を倍増
させることを可能とし、処理速度を落とさず、かつパル
スレーザのバラツキを増加させずに、同一箇所への照射
回数を増加させることができ、ポリシリコン膜の結晶性
を向上させることが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態１にかかるレーザアニール装置について、図
面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形
態１にかかるレーザアニール装置の概略構成図である。

【００２７】図１において、まず一方のパルスレーザ発
振器１から発振された、例えば垂直偏光されたパルスレ
ーザ３が、折り返しミラー５で折り返され、垂直偏光の
レーザを全透過するビームスプリッタ６を通り、レーザ
合成領域７へと到達する。

【００２８】一方、他方のパルスレーザ発振器２から発
振された、例えば水平偏光されたパルスレーザ４が水平
偏光のレーザを全反射するビームスプリッタ６で折り返
され、レーザ合成領域７へと到達する。

【００２９】こうすることで、２つのレーザ発振器から
発振されたパルスレーザが偏光ビームスプリッタ６を通
過した以降は、レーザ合成領域７に示すように一つの光
路を通ることを示している。

【００３０】また、偏光ビームスプリッタ６以降のパル
スレーザは、折り返しミラー５でアニールチャンバ１０
方向へ折り返され、レンズ８で拡大・整形されたビーム
９になり、アニールチャンバ１０内の基板ステージ１１
上の被照射基板（アモルファスシリコン膜）１２に照射
されることになる。ここで、基板ステージ１１は図１中
の矢印１３の方向に、レーザパルス発振器１及び２と同
期をとりながら進行する。これにより被照射基板１２の
全面にパルスレーザが照射されることになる。

【００３１】また、図１においては、全く同一の光路を
得るために偏向ビームスプリッタ６を用いているが、レ
ーザ発振器１及び２から発振されたそれぞれのパルスレ
ーザがアモルファスシリコンに照射される際に、光軸の
ズレが２つのパルスレーザが重なっている範囲内に収ま
っていれば結晶性は向上する。

【００３２】したがって、偏向ビームスプリッタ６の代
わりに折り返しミラー５を用い、かつレーザパルス発振
器１からのパルスレーザビームＡがレーザパルス発振器
２からのパルスレーザビームＢを折り返すために用いる
折り返しミラー５にかかることのない角度で同一の光路
に入射する構成でさえあれば結晶性の向上は可能とな
る。この場合、パルスレーザＡ及びパルスレーザＢにつ
いては偏向させる必要がなく、通常のパルスレーザを用
いれば良い。

【００３３】ここで図２は、図１の構成において基板に
照射されるパルスレーザの周期を示す図であり、図２に
おいて、レーザ発振器１及び２それぞれから発振された
３００ＨｚのパルスレーザＡ及びＢが、非晶質薄膜に照
射される時には６００Ｈｚの合成されたパルスレーザＣ
となることを示しているものである。

【００３４】図３は、２つのパルスレーザが重なるよう
に同期をとった場合のパルスレーザ周期を示す図であ
る。図３においては、パルスレーザＡの周期をパルスレ
ーザＢの周期に近づけており、偏向ビームスプリッタ以
降では合成パルスレーザＤを得ることができる。

【００３５】そして、パルスレーザＡ及びパルスレーザ
Ｂの１パルスの波形を拡大すると、その幅は約３０ｎｓ
であり、レーザ発振の周期を各々３００Ｈｚとし、パル
スレーザＡとパルスレーザＢの発振間隔を３０ｎｓ以下
とすると、合成パルスレーザＤにおける波形は、パルス
レーザＡ及びパルスレーザＢの１パルス分の波形が重な
ったものとなる。

【００３６】したがって、合成パルスレーザＤにおける
波形は幅３０ｎｓ以上６０ｎｓ以下の図３に示すような
波形を得ることができ、かかる波形とすることによっ
て、ピーク値を押さえながら１パルスあたりのエネルギ
ーを上げることが可能となり、非晶質シリコン膜の結晶
性向上を図ることが可能となる。

【００３７】なお、複数のレーザ発振器について、被照
射基板の搬送を制御する装置とは独立して同期をとるこ
とができることが好ましい。発振同期を任意の間隔でと
ることができることから、レーザパルスのポリシリコン
膜への照射方法を任意に調整することができるからであ
る。

【００３８】すなわち、レーザパルスのポリシリコン膜
への照射方法によってポリシリコンの結晶成長を調整す
ることができ、例えば複数のレーザ発振器から発振され
たレーザパルス間の周期を等間隔に設定したり、複数の
レーザ発振器間のレーザパルス間隔は短めにし、単体の
レーザ発振器からのレーザパルス間隔を長めに設定する
等、調整可能となる。

【００３９】また、任意の間隔で発振同期がとられてい
る複数のレーザパルスと、搬送を制御する装置とを独立
して同期をとることで、搬送ステージ上野ガラス基板に
形成されるポリシリコン膜の結晶性を任意の領域に分け
ることが可能となる。

【００４０】具体的には、搬送ステージの搬送速度を任
意の領域において遅くすることにより、当該領域におい
てはパルスレーザが多めに照射されることになるため、
ポリシリコン膜の結晶性が向上する。例えば、液晶表示
装置のドライバ部におけるトランジスタ特性は高い必要
があることから、搬送速度を落として結晶性を向上させ
るとか、画素トランジスタ部におけるトランジスタ特性
は低くても良いことから搬送速度を上げる等、条件に見
合ったポリシリコンの結晶性を実現することが可能とな
る。

【００４１】（実施の形態２）図４は一台のレーザ発振
器１４から３００Ｈｚで発振されたパルスレーザＡが、
１５０Ｈｚで可動する折り返しミラー１５により光路１
６と光路１７に分岐され、光路１６及び１７には光路差
があることから、アモルファスシリコン膜に照射する時
点では２つのパルスの波形合成が可能となることを示す
ものである。

【００４２】図５は、図４のパルスレーザ発振器１４か
ら３００Ｈｚで発振されたパルスレーザＡが、被照射基
板に照射される際に、どのような周期及び波形になって
いるのかを示したものである。

【００４３】以下に、図４及び図５について詳細に説明
する。まず、レーザ発振器１４から３００Ｈｚ、すなわ
ち３．３ｍｓごとに発振されたパルスレーザＥのうち奇
数番目のパルスで構成されるパルスレーザＦは、１５０
Ｈｚで光路１６に分岐され、集光レンズ１８にて集光
後、長さが１ｋｍの光ファイバ１９を通ることになる。
したがって、拡大・整形レンズ８へ到達するのが発振さ
れてから３．３ｍｓ後となるパルスレーザＧとなる。

【００４４】次に、レーザ発振器１４から３００Ｈｚ、
すなわち３．３ｍｓごとに発振されたパルスレーザＥの
うち偶数番目のパルスで構成されるパルスレーザＨは、
１５０Ｈｚで光路１７に分岐され、集光レンズ１８にて
集光後、光ファイバ２０を通ることになる。パルスレー
ザＨについては、ｎｓの単位では時間差がなく、パルス
レーザの周期及び波形に変化はない。

【００４５】したがって、拡大・整形レンズ８を通る時
点においては、２つのパルスレーザＧとＨが重なること
で合成パルスレーザＩとなる。ここで、パルスレーザＩ
の波形としては、図３における合成パルスレーザＤの波
形と同様のものを得ることができる。ただし、図３とは
異なり、被照射基板に照射されるのは波形整形された１
５０ＨｚのパルスレーザＩである。

【００４６】図４の説明において、光路差を稼ぐために
光ファイバを用いているが、特にこれに限定されるもの
ではなく、例えば折り返しミラーを多数用いることでレ
ーザの光路を稼いでも波形整形を行うことは可能であ
る。また、短い光路を通るレーザは光ファイバを通る構
成としてあるが、図１と同様に折り返しミラーを用いた
構成であっても波形整形を行うことは可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上のように本発明にかかるレーザアニ
ール装置によれば、アモルファスシリコン膜などの被照
射基板へのレーザ照射周期を向上させる手法において、
２台以上のレーザ発振器を用いることによって、パルス
レーザのエネルギー変動を悪化させることなく、またス
テージ速度を遅くさせることによってタクトを悪化させ
ることなく、ポリシリコン膜の結晶性を向上、すなわち
粒径の増大、粒内・粒界の欠陥の減少を実現可能とす
る。

【００４８】また、結晶性の向上が必要でない場合であ
っても、照射周期が向上した分、ステージ速度を上げて
もポリシリコン膜の結晶性に大きな影響は出ず、タクト
の向上が可能となる。

【００４９】また、アモルファスシリコン膜などの被照
射基板へ照射されるパルスレーザ１パルスの時間方向の
長さを長くする手法において、２台以上のパルスレーザ
発振器からのパルスレーザを合成させる、もしくは１台
のパルスレーザ発振器からのパルスレーザを光路差のあ
る２つの光路を通した後に合成させることで、溶融され
たアモルファスシリコンの徐冷過程を緩やかにすること
を可能とし、それによりポリシリコン膜の結晶性の向上
を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかるレーザアニー
ル装置の構成図

【図２】本発明の実施の形態１にかかるレーザアニー
ル装置において基板に照射されるパルスレーザ周期を示
す図

【図３】波形整形を目的としたパルスレーザ周期およ
び波形を示す図

【図４】本発明の実施の形態２にかかるレーザアニー
ル装置の構成図

【図５】本発明の実施の形態２にかかるレーザアニー
ル装置において基板に照射されるパルスレーザ周期を示
す図

【符号の説明】

１、２、１４レーザ発振器３垂直偏向レーザ４水平偏向レーザ５折り返しミラー６偏向ビームスプリッタ７レーザ合成領域８レーザビーム整形用レンズ９拡大・整形されたレーザ１０アニールチャンバ１１被照射基板ステージ１２被照射基板１３ステージ進行方向１５可動ミラー１６、１７光路１８集光レンズ１９、２０光ファイバ２１合成レーザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川克也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA11 BA18 BB03 BB07 CA07 DA01 JA01 5F110 AA30 BB01 DD02 GG02 GG13 PP03 PP05 PP35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器を少なくとも２台備え、そ
れぞれの前記レーザ発振器から発振された複数のレーザ
光が一つの光路を通り、非晶質薄膜が堆積した被照射基
板に照射されることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項２】複数の前記レーザ発振器について、前記
被照射基板の搬送を制御する装置とは独立して同期をと
ることができる請求項１記載のレーザアニール装置。
【請求項３】複数の前記レーザ発振器から発振された
複数の前記レーザ光が、一定の均等な間隔を保ちながら
交互に前記被照射基板へ照射されることによって、前記
被照射基板へのレーザ照射周期を見かけ上短縮する請求
項１記載のレーザアニール装置。
【請求項４】複数の前記レーザ発振器の発振間隔を調
整し、２つのパルスレーザを重ね合せることで、前記被
照射基板へ照射されるパルスレーザの波形を変形させる
請求項１記載のレーザアニール装置。
【請求項５】２つの前記レーザ発振器により発信され
た２つのパルスレーザにおいて、一方の前記パルスレー
ザからは垂直偏向のレーザが、他方の前記パルスレーザ
からは水平偏向のレーザが発振されるとともに、前記一
方の前記パルスレーザが偏向ビームスプリッタを全透過
し、前記他方の前記パルスレーザが全反射されることに
よって、最終的に同一の光路を通る請求項１記載のレー
ザアニール装置。
【請求項６】１台の前記レーザ発振器から発振された
パルスレーザを１パルスごとに２つのパルスレーザに分
岐させ、分岐されたパルスレーザを光路差のある相異な
る２つの光路に入射した後、再び同一の光路に合流させ
ることで前記分岐されたパルスレーザを重ね合わせて被
照射基板に照射するレーザアニール装置であって、前記光路差によって、前記分岐されたパルスレーザを合
流させる際に、一定の均等な間隔を保ちながら、１パル
スごと交互に前記被照射基板に照射できるように調整す
ることを特徴とするレーザアニール装置。