JP2003289052A - Crystallizing method of semiconductor and laser irradiation device used for the same - Google Patents

Crystallizing method of semiconductor and laser irradiation device used for the same

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JP2003289052A
JP2003289052A JP2002092470A JP2002092470A JP2003289052A JP 2003289052 A JP2003289052 A JP 2003289052A JP 2002092470 A JP2002092470 A JP 2002092470A JP 2002092470 A JP2002092470 A JP 2002092470A JP 2003289052 A JP2003289052 A JP 2003289052A
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laser
laser beam
semiconductor film
homogenizer
intensity distribution
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Japanese (ja)
Inventor
Norihito Kawaguchi
紀仁 河口
Takahiko Murayama
隆彦 村山
Mikito Ishii
幹人 石井
Kenichiro Nishida
健一郎 西田
Miyuki Masaki
みゆき 正木
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystallizing method of semiconductor having a large crystal grain size and performing crystallization treatment in a short period of time and, to provide a laser irradiation device that is simple in constituting of an optical system for laser condensing. <P>SOLUTION: The crystallizing method of semiconductor comprises a step for performing laser annealing by irradiating a laser beam L3 on an amorphous semiconductor film and crystallizing the amorphous semiconductor film 22. Laser beams L1 uneven in intensity distribution are emitted from a plurality of laser emitting devices 11a-11e. The intensity distribution of each laser beam L1 is uniformized and synthesized after traveling through a homogenizer 12. The amorphous semiconductor film 22 is irradiated by condensing the uniformized and synthesized laser L3 using a condensing lens 15 and the like, and a polycrystal semiconductor film having a crystal grain size of 1 μm or larger is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の結晶化方
法及びそれに用いるレーザ照射装置に係り、特に、大型
の半導体基板の結晶化方法及びそれに用いるレーザ照射
装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor crystallization method and a laser irradiation apparatus used therefor, and more particularly to a crystallization method for a large semiconductor substrate and a laser irradiation apparatus used therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、パソコン、携帯情報端末、及びテ
レビ等の表示手段として液晶ディスプレイの需要が高ま
っている。この液晶ディスプレイの駆動回路・制御回路
等を構成する薄膜トランジスタは、多結晶シリコン(特
に、低温ポリシリコン)で形成されている。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing demand for liquid crystal displays as display means for personal computers, personal digital assistants, televisions and the like. The thin film transistors forming the drive circuit, control circuit, etc. of the liquid crystal display are formed of polycrystalline silicon (particularly low temperature polysilicon).

【0003】液晶ディスプレイ用の大型の基板上に形成
される多結晶シリコンは、一般に、基板上にCVD法に
よりアモルファスシリコン膜を成長させると共に、その
アモルファスシリコン膜を融解・再結晶化させることで
形成される。この融解・再結晶には、融解・再結晶を行
うアモルファスシリコン膜以外は比較的低温に保つこと
が可能で、3次元集積回路の作製に適しているレーザア
ニールが用いられている。このレーザアニールに用いる
レーザとしては、エキシマレーザ等が挙げられる。
Polycrystalline silicon formed on a large-sized substrate for a liquid crystal display is generally formed by growing an amorphous silicon film on the substrate by a CVD method and melting and recrystallizing the amorphous silicon film. To be done. For this melting / recrystallization, laser annealing is used which can be kept at a relatively low temperature except for the amorphous silicon film to be melted / recrystallized and which is suitable for manufacturing a three-dimensional integrated circuit. Examples of the laser used for this laser annealing include an excimer laser and the like.

【0004】エキシマレーザによるレーザアニールで
は、レーザビームはホモジナイザと呼ばれる光学系によ
り、図6(a)に示すトップハット状の形状に整形さ
れ、アモルファスシリコンに照射される。トップハット
形状のビームをアモルファスシリコンに照射すると、結
晶化シリコンの粒径は数百nm程度となる。ここで、図
6(a)における横軸は光軸方向及び/又は光軸と垂直
な方向の長さ、縦軸はエネルギーの強さを示している。
In laser annealing using an excimer laser, a laser beam is shaped into a top hat shape shown in FIG. 6A by an optical system called a homogenizer, and the amorphous silicon is irradiated with the laser beam. When amorphous silicon is irradiated with a top hat-shaped beam, the grain size of crystallized silicon becomes about several hundreds nm. Here, the horizontal axis in FIG. 6A indicates the length in the optical axis direction and / or the direction perpendicular to the optical axis, and the vertical axis indicates the energy intensity.

【0005】具体的には、図7に示すように、レーザ出
射装置(図示せず)から出射されたレーザビームは、焦
点距離f1を持つ第1直交シリンドリカルレンズアレイ
71に入射される。焦点面を通過した各ビーム群は再び
広がり、焦点距離f2を持つ第2直交シリンドリカルレ
ンズアレイ72に入射する。各シリンドリカルレンズア
レイ71,72は、所定距離a(f1<a<f1+f2
を隔てて配置される。次に、レンズアレイ72通過後の
各ビーム群L2は、焦点距離ffを持つコンデンサレン
ズ73で屈折し、焦点面(基板)74上で光軸Oから距
離D/2の範囲内に収束して重なり合う。つまり、全て
のビーム群L2が縦幅(又は横幅)Dの領域内で重なり
合い、エネルギー分布が均一なレーザビームとなる。
Specifically, as shown in FIG. 7, a laser beam emitted from a laser emission device (not shown) is incident on a first orthogonal cylindrical lens array 71 having a focal length f 1 . Each beam group that has passed through the focal plane spreads again and is incident on the second orthogonal cylindrical lens array 72 having the focal length f 2 . Each cylindrical lens array 71, 72 has a predetermined distance a (f 1 <a <f 1 + f 2 ).
Are separated from each other. Next, each beam group L2 after passing through the lens array 72 is refracted by the condenser lens 73 having the focal length f f and converges on the focal plane (substrate) 74 within the range of the distance D / 2 from the optical axis O. Overlap. That is, all the beam groups L2 are overlapped within the area of the vertical width (or the horizontal width) D, and the laser beam has a uniform energy distribution.

【0006】ここで、エキシマレーザは、その平均出力
が最大で100〜300W程度(1パルス当たりのパル
スエネルギーが0.5〜1.5J程度)と高いことか
ら、レーザアニールを行うためのレーザ出射装置の台数
は1台で十分であると共に、ビームをあまり小さく絞る
必要がなく、ビームサイズは、例えば横幅(長さ)30
0mm、縦幅0.2〜0.4mm(200〜400μ
m)と大きくなる(ビームの照射領域が広くなる)。こ
のため、例えば、600mm×720mmの大型基板を
レーザアニールする場合、その処理に要する時間は短く
て済む(例えば、約3分)。
Here, since the excimer laser has a high average output of about 100 to 300 W (pulse energy per pulse is about 0.5 to 1.5 J) at the maximum, laser emission for laser annealing is performed. One device is sufficient, and it is not necessary to narrow the beam so much that the beam size is, for example, 30 (width) (width).
0 mm, vertical width 0.2 to 0.4 mm (200 to 400 μ
m) becomes larger (beam irradiation area becomes wider). For this reason, for example, when laser annealing a large substrate of 600 mm × 720 mm, the time required for the processing can be short (for example, about 3 minutes).

【0007】ところが、従来のエキシマレーザによるレ
ーザアニールでは、得られる結晶化シリコンの粒径はせ
いぜい数百nm程度である。1μmを超える粒径の結晶
化シリコンを得るためには、図6(b)に示すような半
値幅が50μm程度の急峻なエネルギー勾配を持ったビ
ームを形成する必要がある。しかし、従来のエキシマレ
ーザでは、トップハット形状のビームを形成しているこ
と、また、自身のビーム品質により、図6(b)に示す
ビームを得ることは難しいことから、エキシマレーザに
よってレーザアニールを行うと、多結晶シリコンの結晶
粒サイズが1μm以下、即ち数百nm程度に制限されて
しまう。得られた多結晶シリコンの結晶粒サイズが小さ
いと電子移動度が小さくなってしまい、延いては薄膜ト
ランジスタの特性低下を招いてしまう。
However, in the conventional laser annealing using the excimer laser, the grain size of the crystallized silicon obtained is about several hundred nm at most. In order to obtain crystallized silicon having a grain size of more than 1 μm, it is necessary to form a beam having a steep energy gradient with a half width of about 50 μm as shown in FIG. 6B. However, since the conventional excimer laser forms a top hat-shaped beam and it is difficult to obtain the beam shown in FIG. 6B due to its own beam quality, laser annealing is performed by the excimer laser. If this is done, the crystal grain size of the polycrystalline silicon is limited to 1 μm or less, that is, about several hundreds nm. If the crystal grain size of the obtained polycrystalline silicon is small, the electron mobility will be small, and eventually the characteristics of the thin film transistor will be deteriorated.

【0008】そこで、結晶粒が1μmを超える結晶化シ
リコンを得るレーザ源として、YAGレーザの光第2高
調波(532nm)等が注目されてきている。発振方式
は、パルス発振でも連続発振(以下、CWと示す)でも
よいが、CWレーザの方が粒径の大きい結晶化シリコン
を得ることができる。
Therefore, as a laser source for obtaining crystallized silicon having a crystal grain of more than 1 μm, the second harmonic wave (532 nm) of the YAG laser has been attracting attention. The oscillation method may be pulse oscillation or continuous oscillation (hereinafter referred to as CW), but a CW laser can obtain crystallized silicon having a larger grain size.

【0009】CWレーザを用いてアモルファスシリコン
のレーザアニールを行うことで、多結晶シリコンの融解
・固化の時間を十分に確保できるため、結晶粒サイズが
1μm以上の多結晶シリコン、特に好ましくは結晶粒サ
イズが10μm以上の多結晶シリコンが得られる。CW
レーザとしては、アークランプ励起のものとLD励起
(半導体レーザ励起)のものが挙げられるが、LD励起
のCWレーザの方がアークランプ励起のCWレーザより
も、レーザアニールにより得られる多結晶シリコンの結
晶粒サイズが大きくなり、多結晶シリコンの品質も良好
となる。
Laser annealing of amorphous silicon using a CW laser can secure a sufficient time for melting and solidifying the polycrystalline silicon. Therefore, polycrystalline silicon having a crystal grain size of 1 μm or more, particularly preferably crystal grains is preferable. Polycrystalline silicon having a size of 10 μm or more can be obtained. CW
Examples of the laser include those of arc lamp pumping and those of LD pumping (semiconductor laser pumping). However, LD pumping CW lasers are made of polycrystalline silicon obtained by laser annealing rather than arc lamp pumping CW lasers. The crystal grain size is increased, and the quality of polycrystalline silicon is improved.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LD励
起のCWレーザであるYAGレーザをレーザアニールに
用いる場合、パワーの大きな基本波(波長:1064n
m)ではなく、光第2高調波(波長:532nm)が用
いられるが、光第2高調波の平均出力は最大で約10W
程度と低いことから、アモルファスシリコンのレーザア
ニールを行うためのレーザ出射装置を複数台必要とす
る。ここで、各レーザ出射装置からそれぞれ出射された
レーザビームを集光する必要があるが、この集光のため
に各レーザ出射装置と同数の光学系を必要としていた。
即ち、エキシマレーザを用いる場合と比較して装置構成
が複雑になり、装置コストが大幅に上昇するという問題
があった。
However, when a YAG laser which is an LD-excited CW laser is used for laser annealing, a fundamental wave with a large power (wavelength: 1064n) is used.
m) but the optical second harmonic (wavelength: 532 nm) is used, but the average output of the optical second harmonic is about 10 W at maximum.
Because of its low level, it requires a plurality of laser emission devices for performing laser annealing of amorphous silicon. Here, it is necessary to collect the laser beams emitted from the respective laser emitting devices, but the same number of optical systems as the respective laser emitting devices are required for this condensing.
That is, there is a problem that the device configuration becomes complicated and the device cost is significantly increased as compared with the case where the excimer laser is used.

【0011】また、YAGレーザの平均出力が低いこと
から、レーザアニールに必要なエネルギーを得るために
は、ビームを小さく絞る必要があり、ビームサイズは、
例えば横幅(長さ)0.4mm、縦幅0.02mm(2
0μm)と非常に小さくなる(ビームの照射領域が非常
に狭くなる)。このため、例えば、600mm×720
mmの大型基板をレーザアニールする場合、その処理に
要する時間は、エキシマレーザを用いる場合と比較し
て、非常に長くなるという問題があった。
Since the average output of the YAG laser is low, it is necessary to narrow the beam in order to obtain the energy required for laser annealing, and the beam size is
For example, width (length) 0.4 mm, height 0.02 mm (2
0 μm), which is very small (beam irradiation area is very narrow). Therefore, for example, 600 mm x 720
When laser annealing a large substrate having a size of mm, there is a problem that the time required for the processing is extremely long as compared with the case where an excimer laser is used.

【0012】以上の事情を考慮して創案された本発明の
一の目的は、結晶粒サイズが大きく、短時間で結晶化処
理が可能な半導体の結晶化方法を提供することにある。
An object of the present invention devised in view of the above circumstances is to provide a method of crystallizing a semiconductor which has a large crystal grain size and can be crystallized in a short time.

【0013】一方、本発明の他の目的は、レーザ集光の
ための光学系の装置構成が簡易なレーザ照射装置を提供
することにある。
On the other hand, another object of the present invention is to provide a laser irradiation apparatus having a simple optical system for condensing a laser.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明に係る半導体の結晶化方法は、基板上のアモルファ
ス半導体膜にレーザビームを照射してレーザアニールを
行い、アモルファス半導体膜を結晶化する方法におい
て、強度分布が不均一なレーザビームを複数台のレーザ
出射装置からそれぞれ出射し、各レーザビームをホモジ
ナイザ及び集光レンズなどの光学系に通して、アモルフ
ァス半導体膜上で均一化、かつ、合成させることで、結
晶粒サイズが1μm以上の多結晶半導体膜を形成するも
のである。
In order to achieve the above object, a semiconductor crystallization method according to the present invention is to crystallize an amorphous semiconductor film by irradiating an amorphous semiconductor film on a substrate with a laser beam to perform laser annealing. In the method, a laser beam having a non-uniform intensity distribution is emitted from each of a plurality of laser emission devices, each laser beam is passed through an optical system such as a homogenizer and a condenser lens, and is homogenized on an amorphous semiconductor film, and By synthesizing, a polycrystalline semiconductor film having a crystal grain size of 1 μm or more is formed.

【0015】また、上記レーザビームとして連続発振レ
ーザを用いることが好ましい。
Further, it is preferable to use a continuous wave laser as the laser beam.

【0016】以上の方法によれば、結晶粒サイズが大き
な多結晶半導体膜が得られ、また、短時間で結晶化処理
が可能となる。
According to the above method, a polycrystalline semiconductor film having a large crystal grain size can be obtained, and crystallization treatment can be performed in a short time.

【0017】一方、本発明に係る半導体の結晶化に用い
るレーザ照射装置は、基板上のアモルファス半導体膜に
レーザビームを照射してレーザアニールを行い、アモル
ファス半導体膜を結晶化するレーザ照射装置において、
強度分布が不均一なレーザビームを出射する複数台のレ
ーザ出射装置と、各レーザ出射装置から出射された各レ
ーザビームの強度分布を均一化・合成するホモジナイザ
と、均一化・合成されたビームを集光する集光レンズと
を備えたものである。
On the other hand, the laser irradiation apparatus used for crystallizing a semiconductor according to the present invention is a laser irradiation apparatus for irradiating a laser beam on an amorphous semiconductor film on a substrate to perform laser annealing to crystallize the amorphous semiconductor film.
A plurality of laser emitting devices that emit laser beams with non-uniform intensity distribution, a homogenizer that homogenizes and synthesizes the intensity distribution of each laser beam emitted from each laser emitting device, and a homogenized and synthesized beam And a condenser lens for condensing.

【0018】また、上記各レーザ出射装置と上記ホモジ
ナイザとの間に、各レーザ出射装置から出射されたレー
ザビームをホモジナイザに導くためのミラー又は光ファ
イバを有している。
Further, a mirror or an optical fiber for guiding the laser beam emitted from each laser emitting device to the homogenizer is provided between each laser emitting device and the homogenizer.

【0019】以上の構成によれば、複数台のレーザ出射
装置からそれぞれ出射されたレーザビームを集光するた
めの光学系の装置構成が簡易なレーザ照射装置となる。
According to the above structure, the laser irradiation device has a simple optical device structure for condensing the laser beams emitted from each of the plurality of laser emission devices.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適一実施の形態
を添付図面に基いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0021】第1の実施の形態に係るレーザ照射装置の
概略図を図1に示す。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to the first embodiment.

【0022】図1に示すように、半導体の結晶化に用い
る第1の実施の形態に係るレーザ照射装置10は、強度
分布が不均一なレーザビームL1を出射する複数台(図
1中では5台を図示)のレーザ出射装置11a〜11e
と、各レーザ出射装置11a〜11eから出射された各
レーザビームL1の強度分布を合成・均一化するホモジ
ナイザ12と、合成・均一化されたビームL3を集光す
る集光レンズ15とを備えたものである。ここで、ホモ
ジナイザ12は、垂直(又は水平)シリンドリカルレン
ズアレイ13と、レンズアレイ13の後段側に配置され
るコンデンサレンズ14とで構成される。また、レーザ
出射装置の台数と、レンズアレイ13の片面側(図1中
では上面側)の凸レンズ13aの数とは、同じ数となっ
ている。
As shown in FIG. 1, the laser irradiation apparatus 10 according to the first embodiment used for crystallizing a semiconductor emits a plurality of laser beams L1 having a non-uniform intensity distribution (5 in FIG. 1). Laser emitting devices 11a to 11e
And a homogenizer 12 for synthesizing and homogenizing the intensity distributions of the laser beams L1 emitted from the laser emitting devices 11a to 11e, and a condenser lens 15 for condensing the synthesized and homogenized beam L3. It is a thing. Here, the homogenizer 12 is composed of a vertical (or horizontal) cylindrical lens array 13 and a condenser lens 14 arranged on the rear side of the lens array 13. Further, the number of laser emitting devices is the same as the number of convex lenses 13a on one surface side (upper surface side in FIG. 1) of the lens array 13.

【0023】また、各レーザ出射装置11とホモジナイ
ザ12との間には、レーザ導入光学系としてミラー16
が配置されている。このミラー16によって、各レーザ
出射装置11から出射されたレーザビームL1はホモジ
ナイザ12に導かれる。
A mirror 16 as a laser introducing optical system is provided between each laser emitting device 11 and the homogenizer 12.
Are arranged. The laser beam L1 emitted from each laser emission device 11 is guided to the homogenizer 12 by this mirror 16.

【0024】各レーザ出射装置11から出射されるレー
ザビームL1としては、可視波長域(400〜700n
m)又は紫外波長域(400nm未満)のCWレーザ
や、低出力の(1台のレーザ出射装置では出力が十分で
ない)ため従来はレーザアニールに適用困難であった可
視波長域又は紫外波長域のパルスレーザ等が適用可能で
あるが、好ましくは可視波長域のCWレーザがよい。C
Wレーザとしては、例えば、YAGレーザ(光第2高調
波(波長:532nm),光第3高調波(波長:355
nm),光第4高調波(波長:266nm))、He−
Neレーザ(波長:632.8nm)、Arレーザ(波
長:514.5nm,488nm)、及びHe−Cdレ
ーザ(波長:441.6nm)等が挙げられる。また、
パルスレーザとしては、例えば、エキシマレーザ(Xe
Fレーザ(波長:308nm),XeClレーザ(波
長:351nm))、金属蒸気レーザ(銅蒸気レーザ
(波長:510nm,578nm),金蒸気レーザ(光
第2高調波(波長:312nm),光第1高調波(波
長:624nm)),マンガン蒸気レーザ(波長:53
4nm))等が挙げられる。
The laser beam L1 emitted from each laser emission device 11 has a visible wavelength range (400 to 700 n).
m) or a CW laser in the ultraviolet wavelength range (less than 400 nm), or a visible wavelength range or an ultraviolet wavelength range that has been difficult to apply to laser annealing in the past because of low output (the output is not sufficient with one laser emission device). A pulse laser or the like can be applied, but a CW laser in the visible wavelength range is preferable. C
Examples of the W laser include a YAG laser (optical second harmonic (wavelength: 532 nm), optical third harmonic (wavelength: 355 nm)
nm), optical fourth harmonic (wavelength: 266 nm)), He-
Ne laser (wavelength: 632.8 nm), Ar laser (wavelength: 514.5 nm, 488 nm), He-Cd laser (wavelength: 441.6 nm), etc. are mentioned. Also,
As the pulse laser, for example, an excimer laser (Xe
F laser (wavelength: 308 nm), XeCl laser (wavelength: 351 nm)), metal vapor laser (copper vapor laser (wavelength: 510 nm, 578 nm), gold vapor laser (optical second harmonic (wavelength: 312 nm), optical first) Harmonics (wavelength: 624 nm), manganese vapor laser (wavelength: 53
4 nm)) and the like.

【0025】次に、図1に示した第1の実施の形態のレ
ーザ照射装置を用いて、本発明に係る半導体の結晶化方
法を説明する。
Next, a semiconductor crystallization method according to the present invention will be described using the laser irradiation apparatus of the first embodiment shown in FIG.

【0026】先ず、強度分布が不均一な(凸形のビーム
分布(図6(b)参照)の)レーザビームL1をレーザ
出射装置11a〜11eからそれぞれ出射し、ミラー1
6を介してホモジナイザ12に入射する。
First, the laser beam L1 having a non-uniform intensity distribution (convex beam distribution (see FIG. 6B)) is emitted from each of the laser emission devices 11a to 11e, and the mirror 1 is emitted.
The light enters the homogenizer 12 via 6.

【0027】各レーザビームL1をホモジナイザ12の
レンズアレイ13に入射することで、各レーザビームL
1は光軸方向(又は光軸と垂直な方向)における強度分
布が均一な(略フラットなビーム分布(図6(a)参
照)の)ビーム群L2に分割される。ビーム群L2は、
ホモジナイザ12のコンデンサレンズ14によって、パ
ワーが合成される。
By making each laser beam L1 incident on the lens array 13 of the homogenizer 12, each laser beam L1.
1 is divided into a beam group L2 having a uniform intensity distribution in the optical axis direction (or a direction perpendicular to the optical axis) (having a substantially flat beam distribution (see FIG. 6A)). The beam group L2 is
The power is combined by the condenser lens 14 of the homogenizer 12.

【0028】ホモジナイザ12によって、均一化及び合
成された合成レーザビームL3が、集光レンズ15を介
して基板21上のアモルファスシリコン膜(アモルファ
ス半導体膜)22に照射される。この合成レーザビーム
L3の照射によって、アモルファスシリコン膜(例え
ば、膜厚が約50〜100nm)22にレーザアニール
処理が施され、結晶粒サイズが1μm以上、好ましくは
10μm以上の多結晶シリコン膜(多結晶半導体膜)が
形成される。
The homogenizer 12 irradiates the amorphous laser film (amorphous semiconductor film) 22 on the substrate 21 with the synthetic laser beam L3 homogenized and synthesized through the condenser lens 15. By the irradiation of the synthetic laser beam L3, the amorphous silicon film (for example, a film thickness of about 50 to 100 nm) 22 is laser-annealed, and a polycrystalline silicon film (polycrystalline film having a crystal grain size of 1 μm or more, preferably 10 μm or more A crystalline semiconductor film) is formed.

【0029】ここで、レーザビームL1として、紫外波
長域のレーザビーム、例えばエキシマレーザや、可視波
長域のレーザビーム、例えば光第2高調波を用いるYA
Gレーザを用いることで、シリコンに対する吸収係数は
それぞれ異なる。
Here, as the laser beam L1, a laser beam in the ultraviolet wavelength range, for example, an excimer laser, or a laser beam in the visible wavelength range, for example, an optical second harmonic wave is used.
The absorption coefficient for silicon is different by using the G laser.

【0030】具体的には、エキシマレーザ等の紫外波長
域のレーザビームは、光第2高調波を用いるYAGレー
ザ等の可視波長域のレーザビームと比較して波長が短い
ことから、例えば、エキシマレーザを、図5に示す基板
51表面のアモルファスシリコン膜52に照射すると、
エキシマレーザはアモルファスシリコン膜52の表面で
殆ど吸収される。即ちエキシマレーザによる融解(図中
の領域53の部分)は主にアモルファスシリコン膜52
の表面で進行し、アモルファスシリコン膜52の内部の
融解は、熱伝導により生じるためあまり進行しない。
Specifically, since a laser beam in the ultraviolet wavelength range such as an excimer laser has a shorter wavelength than a laser beam in the visible wavelength range such as a YAG laser using an optical second harmonic, for example, an excimer laser is used. When the amorphous silicon film 52 on the surface of the substrate 51 shown in FIG.
The excimer laser is almost absorbed by the surface of the amorphous silicon film 52. That is, the melting by the excimer laser (region 53 in the figure) is mainly caused by the amorphous silicon film 52.
Of the amorphous silicon film 52, and the melting of the inside of the amorphous silicon film 52 does not proceed so much because it occurs due to heat conduction.

【0031】これに対して、光第2高調波を用いるYA
Gレーザ等の可視波長域のレーザビームは、エキシマレ
ーザ等の紫外波長域のレーザビームと比較して波長が長
く、このYAGレーザ等のシリコンに対する吸収係数
は、エキシマレーザ等の吸収係数の約1/10以下であ
る。例えば、光第2高調波を用いるYAGレーザを、図
4に示す基板41表面のアモルファスシリコン膜42に
照射すると、YAGレーザはアモルファスシリコン膜4
2の内部まで透過し、即ちYAGレーザによる融解(図
中の領域43の部分)はアモルファスシリコン膜42の
全体で起こる。このように、アモルファスシリコン膜4
2全体が融解するので、得られる多結晶シリコン膜の結
晶粒サイズがより大きくなる。
On the other hand, YA using the optical second harmonic
A laser beam in the visible wavelength range such as a G laser has a longer wavelength than a laser beam in the ultraviolet wavelength range such as an excimer laser, and the absorption coefficient of silicon such as the YAG laser is about 1 of the absorption coefficient of the excimer laser. / 10 or less. For example, when the amorphous silicon film 42 on the surface of the substrate 41 shown in FIG. 4 is irradiated with a YAG laser that uses the second harmonic of light, the YAG laser emits the amorphous silicon film 4.
2 to the inside, that is, melting by the YAG laser (region 43 in the drawing) occurs in the entire amorphous silicon film 42. In this way, the amorphous silicon film 4
Since the entire 2 melts, the crystal grain size of the obtained polycrystalline silicon film becomes larger.

【0032】よって、結晶粒サイズが大きな多結晶シリ
コン膜を得るという観点から、レーザビームL1として
は、紫外波長域のレーザビームよりも可視波長域のレー
ザビームの方がより好ましく、また、パルスレーザより
もCWレーザの方がより好ましい。
Therefore, from the viewpoint of obtaining a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size, a laser beam in the visible wavelength range is more preferable than a laser beam in the ultraviolet wavelength range as the laser beam L1, and a pulse laser is also used. A CW laser is more preferable than a CW laser.

【0033】また、従来のレーザ照射装置(図7参照)
においては、シリンドリカルレンズアレイ71,72及
びコンデンサレンズ73からなるホモジナイザを、レー
ザビームの強度分布を均一にするためだけに用いてい
た。これに対して、本実施の形態のレーザ照射装置10
は、ホモジナイザ12を、各レーザ出射装置11a〜1
1eから出射される各レーザビームL1の強度分布の均
一化及びパワーの合成に用いることに特長を有してい
る。このため、本実施の形態のレーザ照射装置10によ
れば、結晶粒サイズの大きな多結晶半導体を得ることは
できるものの実用上の出力が十分でなく、従来はレーザ
アニールに適用することができなかったレーザビームで
あっても、レーザアニールに適用することが可能とな
る。
A conventional laser irradiation device (see FIG. 7)
In the above, the homogenizer composed of the cylindrical lens arrays 71 and 72 and the condenser lens 73 was used only for making the intensity distribution of the laser beam uniform. On the other hand, the laser irradiation apparatus 10 according to the present embodiment
The homogenizer 12 to each of the laser emission devices 11a-1a.
It is characterized in that it is used for uniforming the intensity distribution of each laser beam L1 emitted from 1e and synthesizing power. Therefore, according to the laser irradiation apparatus 10 of the present embodiment, a polycrystalline semiconductor having a large crystal grain size can be obtained, but the practical output is not sufficient and it cannot be conventionally applied to laser annealing. Even if a laser beam is used, it can be applied to laser annealing.

【0034】さらに、本実施の形態のレーザ照射装置1
0においては、アモルファスシリコン膜22のレーザア
ニールを行うためのレーザ出射装置を複数台有している
が、各レーザ出射装置11a〜11eからそれぞれ出射
されたレーザビームL1を集光するための光学系は、1
組のホモジナイザ12及び集光レンズ15だけである。
よって、レーザ出射装置と同数の光学系を必要としてい
た従来のレーザ照射装置と比較して、装置構成が簡易に
なり、装置コストの上昇を抑えることができる。
Furthermore, the laser irradiation apparatus 1 of this embodiment
0 has a plurality of laser emitting devices for laser annealing the amorphous silicon film 22, but an optical system for condensing the laser beam L1 emitted from each of the laser emitting devices 11a to 11e. Is 1
There is only a set of homogenizer 12 and condenser lens 15.
Therefore, as compared with the conventional laser irradiation device that requires the same number of optical systems as the laser emission device, the device configuration is simplified and the increase in device cost can be suppressed.

【0035】また、本実施の形態のレーザ照射装置10
においては、レーザビームとして平均出力の低いYAG
レーザ等のCWレーザを用いても、複数本のCWレーザ
のパワーを合成して用いることで、ビームを小さく絞る
ことなく、レーザアニールに必要なエネルギーを得るこ
とができる。よって、例えば、600mm×720mm
の大型基板を、複数本のCWレーザのパワーを合成して
レーザアニールする場合、1本のCWレーザを用いる場
合と比較して、その処理に要する時間は非常に短くな
る。
Further, the laser irradiation device 10 of the present embodiment.
, YAG with a low average output as a laser beam
Even if a CW laser such as a laser is used, the energy required for laser annealing can be obtained without narrowing the beam to a small size by combining and using the powers of a plurality of CW lasers. Therefore, for example, 600 mm x 720 mm
When a large-sized substrate is combined with the power of a plurality of CW lasers and laser-annealed, the time required for the processing is extremely short compared to the case where a single CW laser is used.

【0036】さらに、レーザビームとして、YAGレー
ザのようなコヒーレント性の高いレーザビームをホモジ
ナイザ12に入射する場合、ホモジナイズ面(結像面)
で重なることで干渉縞が発生する。この干渉縞の発生し
たレーザビームをアモルファスシリコン膜22に照射し
て結晶化させると、結晶粒サイズの小さな多結晶シリコ
ン膜しか得られなかった。しかし、本実施の形態のレー
ザ照射装置10においては、ホモジナイザ12の各凸レ
ンズ12aに、独立した光源(各レーザ出射装置11a
〜11e)から発振(出射)されるレーザビームL1を
それぞれ入射していることから、これらのレーザビーム
がホモジナイズ面で重なっても干渉縞が発生するという
ことはない。つまり、YAGレーザのようなコヒーレン
ト性の高いレーザビームを用いる場合は従来必要であっ
たコヒーレンス性を補正するような光学系(例えば、光
路補正レンズなど)を、本実施の形態のレーザ照射装置
10は必要としなくなるという新たな作用効果を発揮す
る。
Further, when a laser beam having a high coherence such as a YAG laser is incident on the homogenizer 12 as a laser beam, a homogenizing surface (image forming surface)
Interference fringes are generated by overlapping at. When the amorphous silicon film 22 was irradiated with the laser beam having the interference fringes for crystallization, only a polycrystalline silicon film having a small crystal grain size was obtained. However, in the laser irradiation apparatus 10 of the present embodiment, each convex lens 12a of the homogenizer 12 has an independent light source (each laser emission device 11a).
Since the laser beams L1 oscillated (emitted) from (1) to 11e) are respectively incident, interference fringes do not occur even if these laser beams overlap on the homogenized surface. That is, when using a laser beam having a high coherence such as a YAG laser, an optical system (for example, an optical path correction lens) for correcting the coherence, which is conventionally required, is provided in the laser irradiation apparatus 10 of the present embodiment. Exerts a new effect that is unnecessary.

【0037】次に、本発明の他の実施の形態を添付図面
に基いて説明する。
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

【0038】第2の実施の形態に係るレーザ照射装置の
概略図を図2に示す。
FIG. 2 shows a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to the second embodiment.

【0039】図2に示すように、半導体の結晶化に用い
る第2の実施の形態に係るレーザ照射装置20は、基本
的な装置構成はレーザ照射装置10と同じまま、ホモジ
ナイザ32を、図7に示したように所定距離を隔てて配
置された垂直(又は水平)シリンドリカルレンズアレイ
13及び水平(又は垂直)シリンドリカルレンズアレイ
23と、コンデンサレンズ14とで構成したものであ
る。ここで、レンズアレイ13,23は、光軸方向に対
して鏡面対称となるように配置されている。
As shown in FIG. 2, the laser irradiation apparatus 20 according to the second embodiment used for crystallizing a semiconductor has a homogenizer 32 and a homogenizer 32 while the basic apparatus configuration is the same as that of the laser irradiation apparatus 10. The vertical (or horizontal) cylindrical lens array 13 and the horizontal (or vertical) cylindrical lens array 23, which are arranged at a predetermined distance as shown in FIG. Here, the lens arrays 13 and 23 are arranged so as to be mirror-symmetric with respect to the optical axis direction.

【0040】本実施の形態のレーザ照射装置20によれ
ば、各レーザ出射装置11a〜11eから出射された各
レーザビームL1は、ホモジナイザ32のレンズアレイ
13,23によって光軸方向及び光軸と垂直な方向にお
ける強度分布が均一となり、その均一化されたビーム群
L4がコンデンサレンズ14によって合成され、均一化
及び合成された合成レーザビームL5が、集光レンズ1
5を介して基板21上のアモルファスシリコン膜(アモ
ルファス半導体膜)22に照射される。
According to the laser irradiation device 20 of this embodiment, the laser beams L1 emitted from the laser emission devices 11a to 11e are perpendicular to the optical axis direction and the optical axis by the lens arrays 13 and 23 of the homogenizer 32. Intensity distribution in different directions becomes uniform, the homogenized beam group L4 is synthesized by the condenser lens 14, and the homogenized and synthesized synthetic laser beam L5 is generated by the condenser lens 1.
The amorphous silicon film (amorphous semiconductor film) 22 on the substrate 21 is irradiated with the light through the film 5.

【0041】本実施の形態のレーザ出射装置20におい
ても、前述した第1の実施の形態のレーザ照射装置10
と同様の作用効果が得られる。
Also in the laser emission device 20 of this embodiment, the laser irradiation device 10 of the first embodiment described above is used.
The same effect as is obtained.

【0042】また、本実施の形態のレーザ出射装置20
においては、合成されたレーザビームL5の強度分布
は、前実施の形態のレーザ照射装置10における合成レ
ーザビームL3の強度分布と比較してより均一であるこ
とから、この合成レーザビームL5を基板21上のアモ
ルファスシリコン膜22に照射することで、その照射部
分をより均一に融解することができる。その結果、前実
施の形態のレーザ照射装置10と比較して、より結晶粒
サイズの大きな多結晶半導体膜を得ることができるよう
になる。ここで、ホモジナイザによる各レーザビームL
1の強度分布の均一化を、光軸方向(又は光軸と垂直な
方向)の一方向に対して行うか、光軸方向及び光軸と垂
直な方向の二方向に対して行うかは、合成によって得ら
れたレーザビームに要求される強度分布の均一性に応じ
て適宜選択されるものである。
Further, the laser emitting device 20 of the present embodiment
In the above, since the intensity distribution of the synthesized laser beam L5 is more uniform than the intensity distribution of the synthesized laser beam L3 in the laser irradiation device 10 of the previous embodiment, this synthesized laser beam L5 is applied to the substrate 21. By irradiating the upper amorphous silicon film 22, the irradiated portion can be more uniformly melted. As a result, a polycrystalline semiconductor film having a larger crystal grain size can be obtained as compared with the laser irradiation device 10 of the previous embodiment. Here, each laser beam L by the homogenizer
Whether to make the intensity distribution of 1 uniform in one direction of the optical axis direction (or in the direction perpendicular to the optical axis) or in two directions of the optical axis direction and the direction perpendicular to the optical axis, It is appropriately selected according to the uniformity of the intensity distribution required for the laser beams obtained by the synthesis.

【0043】第3の実施の形態に係るレーザ照射装置の
概略図を図3に示す。ここで、図1と同様の部材には同
じ符号を付している。
FIG. 3 shows a schematic view of a laser irradiation apparatus according to the third embodiment. Here, the same members as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【0044】図1に示した第1の実施の形態のレーザ照
射装置10は、レーザ出射装置11a〜11eから出射
された各レーザビームL1をホモジナイザ12に入射す
るためのレーザ導入光学系として、ミラー16を用いて
いた。
The laser irradiation apparatus 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 is a mirror as a laser introduction optical system for making the laser beams L1 emitted from the laser emission apparatuses 11a to 11e incident on the homogenizer 12. 16 was used.

【0045】これに対して、図3に示すように、第3の
実施の形態に係るレーザ照射装置30は、基本的な装置
構成はレーザ照射装置10と同じまま、CWレーザを出
射するレーザ出射装置31a〜31eと、レーザ導入光
学系として光ファイバ36a〜36eを備えたものであ
る。ここで、各光ファイバ36a〜36eの先端にはコ
リメータ37がそれぞれカップリングされている。この
コリメータ37によって、各光ファイバ36a〜36e
を伝播したレーザビームL1がコリメートされ、ホモジ
ナイザ12に入射される。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the laser irradiation device 30 according to the third embodiment has the same basic device structure as the laser irradiation device 10 but emits a CW laser. The devices 31a to 31e and the optical fibers 36a to 36e as a laser introduction optical system are provided. Here, a collimator 37 is coupled to the tip of each of the optical fibers 36a to 36e. With this collimator 37, each of the optical fibers 36a to 36e
The laser beam L1 propagating through is collimated and is incident on the homogenizer 12.

【0046】本実施の形態のレーザ出射装置30におい
ても、前述した第1の実施の形態のレーザ照射装置10
と同様の作用効果が得られる。
Also in the laser emission device 30 of the present embodiment, the laser irradiation device 10 of the first embodiment described above is used.
The same effect as is obtained.

【0047】また、本実施の形態のレーザ出射装置30
においては、各レーザ出射装置31a〜31eとホモジ
ナイザ12との間のレーザ導入光学系として光ファイバ
36a〜36eを用いることで、レーザ出射部分(レー
ザ出射装置31a〜31e)とレーザ照射部分(ホモジ
ナイザ12、集光レンズ15、及び基板21)とを、別
々の場所に分離配置することができる。よって、レーザ
照射部分にレーザ出射装置を複数台設置するスペースが
ないような場合でも、レーザ照射部分から離れた場所に
各レーザ出射装置を設置し、対応することができる。
Further, the laser emission device 30 of the present embodiment.
In the above, by using the optical fibers 36a to 36e as the laser introducing optical system between the laser emitting devices 31a to 31e and the homogenizer 12, the laser emitting portions (laser emitting devices 31a to 31e) and the laser irradiation portion (homogenizer 12). , The condenser lens 15, and the substrate 21) can be separately arranged at different places. Therefore, even when there is no space for installing a plurality of laser emission devices in the laser irradiation portion, each laser emission device can be installed at a location distant from the laser irradiation portion to deal with it.

【0048】以上、本発明の実施の形態は、上述した実
施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のもの
が想定されることは言うまでもない。
It is needless to say that the embodiments of the present invention are not limited to the above-mentioned embodiments but various other embodiments are possible.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
In summary, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.

【0050】(1) 本発明に係る半導体の結晶化方法
によれば、結晶粒サイズが大きな多結晶半導体膜が得ら
れ、また、短時間で結晶化処理が可能となる。
(1) According to the semiconductor crystallization method of the present invention, a polycrystalline semiconductor film having a large crystal grain size can be obtained, and crystallization treatment can be performed in a short time.

【0051】(2) 本発明に係る半導体の結晶化に用
いるレーザ照射装置によれば、複数台のレーザ出射装置
からそれぞれ出射されたレーザビームを集光するための
光学系の装置構成が簡易となる。
(2) According to the laser irradiation apparatus used for crystallization of the semiconductor according to the present invention, the device configuration of the optical system for concentrating the laser beams emitted from each of the plurality of laser emission devices is simplified. Become.

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

【図1】第1の実施の形態に係るレーザ照射装置の概略
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to a first embodiment.

【図2】第2の実施の形態に係るレーザ照射装置の概略
図である。
FIG. 2 is a schematic view of a laser irradiation device according to a second embodiment.

【図3】第3の実施の形態に係るレーザ照射装置の概略
図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to a third embodiment.

【図4】可視波長域のレーザビームをアモルファスシリ
コン膜に照射した状態を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where an amorphous silicon film is irradiated with a laser beam in a visible wavelength range.

【図5】紫外波長域のレーザビームをアモルファスシリ
コン膜に照射した状態を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where an amorphous silicon film is irradiated with a laser beam in the ultraviolet wavelength range.

【図6】レーザビームの強度分布を示す図である。図6
(a)は均一化した後のビーム分布を、図6(b)は均
一化する前のビーム分布を示している。
FIG. 6 is a diagram showing an intensity distribution of a laser beam. Figure 6
6A shows the beam distribution after the homogenization, and FIG. 6B shows the beam distribution before the homogenization.

【図7】レーザビームのホモナイゼーションを説明する
ための図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining laser beam homogenization.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20,30 レーザ照射装置 11a〜11e,31a〜31e レーザ出射装置 12,32 ホモジナイザ 13,23 シリンドリカルレンズアレイ 14 コンデンサレンズ 15 集光レンズ 16 ミラー 21 基板 22 アモルファスシリコン膜(アモルファス半導体
膜) 36a〜36e 光ファイバ L1 強度分布が不均一なレーザビーム L2,L4 強度分布が均一なビーム群 L3,L5 合成レーザビーム
10, 20, 30 Laser irradiation device 11a-11e, 31a-31e Laser emission device 12, 32 Homogenizer 13, 23 Cylindrical lens array 14 Condenser lens 15 Condensing lens 16 Mirror 21 Substrate 22 Amorphous silicon film (amorphous semiconductor film) 36a- 36e Optical fiber L1 Laser beams L2 and L4 having non-uniform intensity distribution Beam group L3 and L5 having uniform intensity distribution Synthetic laser beam

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 隆彦 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 石井 幹人 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 西田 健一郎 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 Fターム(参考) 5F052 AA02 BA11 BB01 BB04 BB07 DA02 5F110 AA16 AA28 AA30 BB02 GG02 GG13 GG16 GG25 PP03 PP04 PP06 PP07    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takahiko Murayama             3-15 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima             Harima Heavy Industries Tokyo Engineering Co., Ltd.             In the center (72) Inventor Mikito Ishii             3-15 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima             Harima Heavy Industries Tokyo Engineering Co., Ltd.             In the center (72) Inventor Kenichiro Nishida             3-15 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima             Harima Heavy Industries Tokyo Engineering Co., Ltd.             In the center (72) Inventor Miyuki Masaki             3-15 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima             Harima Heavy Industries Tokyo Engineering Co., Ltd.             In the center F term (reference) 5F052 AA02 BA11 BB01 BB04 BB07                       DA02                 5F110 AA16 AA28 AA30 BB02 GG02                       GG13 GG16 GG25 PP03 PP04                       PP06 PP07

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アモルファス半導体膜にレーザビームを
照射してレーザアニールを行い、アモルファス半導体膜
を結晶化する方法において、強度分布が不均一なレーザ
ビームを複数台のレーザ出射装置からそれぞれ出射し、
各レーザビームをホモジナイザに通して各ビームの強度
分布を均一化・合成すると共に、均一化・合成されたレ
ーザビームを集光レンズなどで集光させて上記アモルフ
ァス半導体膜に照射し、結晶粒サイズが1μm以上の多
結晶半導体膜を形成することを特徴とする半導体の結晶
化方法。
1. A method of crystallizing an amorphous semiconductor film by irradiating an amorphous semiconductor film with a laser beam to perform laser annealing, wherein a laser beam having a non-uniform intensity distribution is emitted from each of a plurality of laser emitting devices,
Each laser beam is passed through a homogenizer to homogenize and combine the intensity distribution of each beam, and the homogenized and combined laser beam is focused by a condenser lens etc. to irradiate the amorphous semiconductor film, and the crystal grain size A method of crystallizing a semiconductor, which comprises forming a polycrystalline semiconductor film having a thickness of 1 μm or more.
【請求項2】 上記レーザビームとして連続発振レーザ
を用いる請求項1記載の半導体の結晶化方法。
2. The method for crystallizing a semiconductor according to claim 1, wherein a continuous wave laser is used as the laser beam.
【請求項3】 基板上のアモルファス半導体膜にレーザ
ビームを照射してレーザアニールを行い、アモルファス
半導体膜を結晶化するレーザ照射装置において、強度分
布が不均一なレーザビームを出射する複数台のレーザ出
射装置と、各レーザ出射装置から出射された各レーザビ
ームの強度分布を合成・均一化するホモジナイザと、均
一化・合成されたレーザビームを集光する集光レンズと
を備えたことを特徴とする半導体の結晶化に用いるレー
ザ照射装置。
3. A laser irradiation device for irradiating a laser beam on an amorphous semiconductor film on a substrate to perform laser annealing to crystallize the amorphous semiconductor film, wherein a plurality of lasers emit a laser beam having an uneven intensity distribution. An emission device, a homogenizer that synthesizes and homogenizes the intensity distribution of each laser beam emitted from each laser emission device, and a condenser lens that condenses the homogenized and synthesized laser beam. Irradiation device used for crystallization of semiconductors.
【請求項4】 上記各レーザ出射装置と上記ホモジナイ
ザとの間に、各レーザ出射装置から出射されたレーザビ
ームをホモジナイザに導くためのミラー又は光ファイバ
を有する請求項3記載の半導体の結晶化に用いるレーザ
照射装置。
4. The semiconductor crystallization according to claim 3, further comprising a mirror or an optical fiber for guiding the laser beam emitted from each laser emitting device to the homogenizer, between each laser emitting device and the homogenizer. Laser irradiation device used.
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