JP2003510825A - レーザシステム - Google Patents

レーザシステム

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JP2003510825A
JP2003510825A JP2001526325A JP2001526325A JP2003510825A JP 2003510825 A JP2003510825 A JP 2003510825A JP 2001526325 A JP2001526325 A JP 2001526325A JP 2001526325 A JP2001526325 A JP 2001526325A JP 2003510825 A JP2003510825 A JP 2003510825A
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Abstract

(57)【要約】 ラインビームレーザ出力（４）を生じるレーザシステム（１）は、レーザ源（６）と、入射レーザ入力の強度分布を変更させるレンズ系であって、予め決定したレンズピッチで配置した複数のレンズ素子（１６）を有する当該レンズ系（１２）とを具える。レーザ源（６）とレンズ系（１２）との間には、光学フィルタ（９）が設けられており、この光学フィルタは透明部分（４２）と不透明部分（４４）とを有する。透明部分（４２）は、レンズピッチに一致するピッチを有する繰返しパターン（４６）を規定する。光学フィルタ（９）はレンズ系（１２）への入力を変更し、このレンズ系の出力がレーザシステム（１）の出力に所望の強度分布を生じるようにする。この所望の強度分布は、トップハットの頂部を傾斜させたものに相当する形状にして、レーザ結晶化の性能を改善するようにしうる。本発明は、現存のトップハット強度分布レーザシステムを僅かに改良することにより達成しうる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、レーザシステム、特に、薄膜装置における多結晶シリコンを形成す
る非晶質シリコンの結晶化のような半導体薄膜のレーザ結晶化に適した出力分布
を生じる、しかしこれに限定されないレーザシステムに関するものである。本発
明は又、このようなレーザシステムを用いて半導体薄膜を結晶化する装置及び方
法にも関するものである。
【０００２】 レーザ結晶化処理を用いることにより、例えば、ディスプレイ又はその他の回
路のための低温多結晶シリコン装置の製造を可能にしうることは周知である。し
かし、レーザ結晶化処理の均一性が悪い結果、レーザ結晶化処理によると歩留り
を悪くするおそれがある。
【０００３】 このように均一性を悪くする原因の１つは、簡単ないわゆるトップハット（シ
ルクハット）ビーム分布を用いていることにある。この分布は、この分布の幅に
亙ってほぼ一定の強度を有する。従って、このビームを非晶質シリコン薄膜に亙
って走査することにより、この非晶質シリコン薄膜を結晶化させると、この非晶
質シリコン薄膜は、ほぼ一定の強度に曝される。この結晶化処理を成功させるに
は、この強度を極めて狭い範囲にあるようにする必要がある。その理由は、結晶
化処理中に薄膜のほぼ全体を溶融させる必要があるも、非晶質シリコン層の完全
なメルトスルーがあってはならない為である。完全なメルトスルーを生じた層の
一部は、冷却中に、微細結晶構造に再結晶化され、これにより最終製品の品質を
低下させる。強度は最大値を越えるおそれがあり、これによりレーザ源からの出
力中のジッタの結果として完全なメルトスルーを達成するおそれがある。
【０００４】 レーザ出力は、処理すべきサンプルに亙って走査する為、最大の所望の強度を
越える個々のレーザパルスは基板のある領域に与えられる最初のレーザ射出とな
るも、基板の他の領域に与えられる最後のレーザ射出ともなる。このレーザパル
スが最後の射出となった基板の領域は、この微細粒子構造を維持する。その理由
は、更なるレーザ加熱が行なわれない為である。
【０００５】 本発明によれば、二次元の領域に亙って第１の強度分布を有する二次元出力を
生じるレーザ源と、予め決定したレンズピッチで配置した複数のレンズ素子を有
し、入射レーザ入力の前記強度分布を変更するレンズ系とを具え、二次元のレー
ザ出力を生じるレーザシステムにおいて、前記レーザ源と前記レンズ系との間に
光学フィルタが設けられ、この光学フィルタは透明部分と不透明部分とを具え、
透明部分は、レンズピッチに一致するピッチを有する繰返しパターンを規定し、
光学フィルタはレンズ系に対する入力を変更して、レンズ系の出力がレーザシス
テムの出力に所望の強度分布を生ぜしめるようになっていることを特徴とするレ
ーザシステムを提供する。
【０００６】 本発明のレーザシステムにおける光学フィルタは、レーザ源からの出力を変更
し、トップハット分布を生じる通常のレンズ系を用いた場合でもレーザシステム
の出力が後のレーザ結晶化のための変更された出力を有するようにしうる。
【０００７】 レーザシステムの出力に対する変更は、出力の幅に亙るこの出力の強度分布を
変えるように選択することができる。例えば、第１の強度分布を変更してこの強
度分布の幅のかなりの部分に亙ってほぼ一定の強度分布を有するトップハット強
度分布を生じるようにレンズ系を設計し、このレンズ系の出力がこの強度分布の
幅の一部に亙って傾斜させた強度分布を有するように光学フィルタを配置するよ
うにすることができる。
【０００８】 或いはまた、レーザシステムの出力に対する変更は、出力ビームの形状を変え
るように選択することができる。例えば、第１の強度分布の幅を減少させるとと
もにその長さを増大させてラインビームを生ぜしめるようにレンズ系を設計し、
この場合、不連続なラインビーム出力を可能にするように光学フィルタを配置す
ることができる。
【０００９】 光学フィルタは、１つ又は複数の開口を有するプレートを具えるようにするこ
とができ、或いは基板上に設けた１つ又は複数の誘電体層を具えるようにするこ
とができる。
【００１０】 レーザ源は、好ましくは、準ガウス分布を有するパルスレーザ源を具える。
【００１１】 本発明は、本発明のレーザシステムと、レーザ処理すべきサンプルの表面に亙
って所望の強度分布の幅で走査する手段とを具えるレーザ結晶化装置をも提供す
る。走査は、サンプルを可動支持体上に設けることにより達成しうる。
【００１２】 以下に、本発明の実施例を、添付図面を参照して説明する。 図１は、半導体サンプルの結晶化に適した二次元レーザ出力を生じる既知のレ
ーザシステムを有するも、光学フィルタを設けて本発明によるシステムを形成し
ている装置を示す。この本発明によるシステムのうち既知の部分をまず最初に説
明する。本発明によるシステム１は、強度分布を制御したラインビーム４で半導
体サンプル２を照射するためのものである。半導体サンプル２は、代表的に、絶
縁基板上のシリコン薄膜を有する。ラインビーム４は半導体サンプル２の表面を
走査するものであり、この走査は、半導体サンプル２を可動支持体（図示せず）
上に装着することにより達成される。
【００１３】 レーザシステムは、準ガウス強度分布を有しうるレーザ源６を具えている。こ
のレーザ源の出力は二次元の光波面（最前面）を有し、一方の次元の方向では強
度が曲線８で示すように正規分布に応じて変化しており、他方の次元の方向では
強度が一定である。ビームの幅Ｗは約２０ｍｍにでき、（図１では、図面の面に
対し垂直な方向の）深さも同様な寸法にしうる。
【００１４】 レーザによる結晶化の場合、幅は狭く、例えば、０．５ｍｍであるが、長さは
半導体薄膜の基板全体に亙って移動しうるのに充分長くしたラインビームが望ま
しい。又、曲線８として示す正規強度分布を変更させるのも望ましい。
【００１５】 光信号の強度を変更させるために、第１レンズアレイ１２と集束レンズ１４と
を有するホモジナイザー１０を設ける。図１には、１つのレンズアレイ１２を示
してあるが、以下の説明から明らかなように、実際には複数のレンズアレイがあ
るものである。個々のレンズはシリンドリカルレンズ１６であり、光学系の効果
は、レーザ源６の強度分布の種々の区分を合成して強度分布の幅に亙るレーザ強
度をより一層均一にすることにある。従って、第１レンズアレイ１２の機能は、
レーザビームの強度分布をその幅に亙り変えることである。図１には図示してい
ないが、他のレンズアレイも設けて、レーザ出力の強度分布を更に変更させる。
この他のレンズアレイは直角のレンズアレイを有し、この他のレンズアレイは、
レーザ出力が覆う範囲を変更させて必要とするラインビーム４を得るために、レ
ーザ出力の長軸における強度分布を変えるように配置することができる。
【００１６】 集束レンズ１４は信号を開口１８に集束させ、プロジェクションレンズ２０が
最終的に、変更されたレーザ出力を半導体サンプルに結像させる。集束用の開口
１８はラインビームのエッジを鮮鋭にし、実際には、開口１８の幅を可調整にし
て種々のラインビーム幅を得るようにしうる。
【００１７】 上述したところまでは、図１につき説明したレーザシステムの動作は既知であ
る。特に、市販されている現存のレーザシステムは、レーザ源６から出力される
準ガウス強度分布からいわゆるトップハット状の強度分布への変換を可能にする
特定の光学的設計を有している。これらの強度分布を以下に図２及び３につき説
明する。
【００１８】 図２Ａは、レーザ源６の準ガウス出力分布を二次元で線図的に示す。この強度
分布は、時間の経過とともに全体的に一定ではなく、最新のレーザでさえもいわ
ゆる流束量（フルーエンス）ジッタが生じる。以下の説明にとって、最も重要な
種類のジッタが、矢印３０で示すいわゆる流束量ジッタである。流束量ジッタの
結果、レーザのピーク強度は一定でなく、ある誤差範囲内で予測不可能に上昇す
るか又は降下するおそれがある。図２Ｂは、レーザ結晶化装着に通常用いられて
いる所望のトップハット強度分布を示す。線図的に示すように、この強度分布は
その主要幅に亙ってほぼ一定の分布を有し、ビームの長さはレーザ源６の出力に
対して著しく増大する。
【００１９】 図３は、トップハット強度分布を更に詳細に示している。ライン３２は、半導
体サンプルの表面に亙るビームの走査方向を表わす。従って、エッジ３４が強度
分布の前縁を表わし、エッジ３６が後縁を表わす。レーザによる結晶化に当って
は、レーザ源６は、レーザ出力と半導体サンプル２との間の相対的な移動中パル
ス化される。従って、半導体サンプルは、図３に×印３８で示すレーザ照射の多
数の射出に当てられる。図３に示す射出数では、半導体サンプルの各領域に、ト
ップハット強度分布の頂部に沿う７つのレーザ射出がほぼ一定の強度で当てられ
る。トップハット強度分布の全幅は約５００μｍにでき、前縁及び後縁は垂直で
あることを意図しているが、これらは代表的に約５０μｍの幅を占めるようにす
ることができる。
【００２０】 トップハット強度分布を使用する場合に従来認識されていた問題は、この強度
分布は図２Ａに示すような多量のジッタを許容しないということである。その理
由は、トップハット強度分布の一定部分における強度が極めて臨界的であるため
である。多結晶シリコンを形成するために非晶質シリコンにレーザ結晶化を行な
う場合には、レーザ結晶化処理により生ぜしめるエネルギーは、非晶質シリコン
薄膜をほぼその深さ（厚さ）全体に亙って溶融させるものとする必要がある。し
かし、非晶質シリコン層を完全に溶融させるのは回避する必要がある。その理由
は、後の冷却により微細結晶構造を生ぜしめてしまうためである。レーザ結晶化
は、可能な限り最大の粒子寸法を得るためのものであり、このレーザ結晶化は、
できる限り完全な溶融に近付くも、実際にはこの完全な溶融を達成しないように
行なう。従って、最大の粒子寸法を得るには、トップハット強度分布の強度を最
大レベルにできる限り近付くように選択する必要がある。レーザ源６の出力にお
けるいかなる流束量ジッタも図３の強度分布における変動に変わる。トップハッ
ト強度分布における強度の増大は、特に、最終のレーザ射出をレーザ源６のその
特定のパルスから受ける半導体サンプルの領域にとって厳しいものとなる。半導
体サンプルのこれらの領域では、再結晶化が微粒子構造を形成してしまい、この
状態を矯正する他のレーザ射出が存在しない。
【００２１】 改善したレーザ強度分布では、後縁に向って降下する勾配４０（図３には、こ
の勾配の２例４０ａ，４０ｂを示す）を流束量中に導入する。
【００２２】 これにより、半導体サンプルのあらゆる領域を所望数の射出に当て、サンプル
領域全体に亙って大きな粒子の成長に充分なエネルギーが得られるも、サンプル
の各領域に当てられる最終の射出は、レーザ源６の出力に流束量ジッタがある場
合でも、深さ全体に亙って完全に溶融させるのに充分なエネルギーを有さないよ
うにする。
【００２３】 本発明によれば、この変形したトップハット強度分布を、図１に線図的に示す
ように、レーザ源６とホモジナイザー１０との間に光学フィルタ９を挿入するこ
とにより達成する。
【００２４】 この光学フィルタの一例を図４に示す。本例の光学フィルタは、透明部分（斜
線を付した領域４２）と、不透明部分（フィルタの他の領域４４）とを有する。
この光学フィルタは、孔又は孔のアレイでパターン化された箔、或いは孔等があ
けられていないむくのプレートを有することができる。或いはまた、光学フィル
タは、適切な反射防止層及び光学的な透過度を変えるパターン化した誘電体層を
有する透過性基板、例えば、石英を具えるようにしうる。これらの誘電体層は化
学堆積（ＣＶＤ）技術又は蒸着により堆積させ、次に通常のホトリソグラフ技術
を用いてパターン化することができる。図４に示す光学フィルタは、ビームの幅
に亙る強度分布を変更させて、例えば、図３に４０ｂを付して示す変形したトッ
プハット強度分布を得るためのものである。この目的のためには、繰返しパター
ン４６のピッチを、ビームの幅に亙る強度分布を変更するために設けられたホモ
ジナイザー１０のレンズアレイ１２における個々のレンズ１６のピッチに一致さ
せる。図４には４個のみの繰返しパターン４６を図示しているが、実際にはレン
ズアレイ１２におけるレンズ素子１６の個数に一致する個数の多数の繰返しがあ
る。個々の繰返しパターン４６はそれぞれ、ホモジナイザー１０への光入力を変
えてホモジナイザー１０の出力がもはや予め設定されたトップハット強度分布を
追従せずに図３に示すような変形された強度分布を追従するように設計されてい
る。従って、現存のトップハット強度分布レンズ系を採用し、これを僅かに改良
してレーザシステム全体の出力強度分布を制御しうるようにすることができる。
【００２５】 本発明によれば、光学フィルタを設けてレーザシステムの出力の形状を変える
ようにすることもできる。例えば、処理される半導体サンプルのある領域をレー
ザ照射に曝させないようにする不連続なラインビーム４を望む場合がある。ライ
ンビームの長さは、レンズ素子の第２の直角アレイ（図１に図示せず）により変
更される。この場合、光学フィルタは図４に示す繰返しパターンに対し直角な繰
返しパターンを有し、そのピッチはレンズ素子の第２の直角アレイのレンズピッ
チに一致させる。その一例は図５に示してあり、この場合、透明部分４２は個々
にスロットを有し、各スロットは個々のレンズ素子に対するものである。スロッ
ト４２間の不透明部分はラインビーム４の一部を有効に遮断して半導体サンプル
の選択領域を処理しうるようにする。
【００２６】 図６は、ホモジナイザー１０の双方のレンズアレイを考慮して、図３の強度分
布４０ａ又は４０ｂを生ぜしめるとともにビームの長軸に沿うこの強度分布の一
様性を改善することのできる光学フィルタ設計を示す。幅Ｚを増大させるにつれ
て、強度分布は４０ｂから４０ａに向って変化する。
【００２７】 上述した各々の場合、光学フィルタはホモジナイザーと正確に整列させる必要
がある。その理由は、光学フィルタの繰返しパターンが、ホモジナイザーに用い
られているレンズ系を考慮して設計されている為である。光を透過する開口を有
する金属シートを用いる場合には、開口のレーザ機械加工中のひずみを回避する
ために膨張係数の低い合金を用いるのが好ましい。
【００２８】 当業者にとっては、上述したところから種々の変形が可能であること明らかで
ある。このような変形には、レーザシステム及びレーザ結晶化装置の設計、製造
及び使用において既に知られているものと同等なものや他のものを含めることが
でき、これらは上述した特徴の代りに或いはこれに加えて用いることができる。
【００２９】 本明細書の特許請求の範囲は特定の特徴の組合せに対して系統的に記載してあ
るが、本発明の開示の範囲には、いずれかの請求項に述べたのと同じ発明に関す
るか関しないかにかかわらず又本発明と同じ技術的問題のいずれか又は全てを緩
和するかしないかにかかわらず、本明細書に明示的に又は暗に開示したいかなる
新規な特徴又はこれら特徴のいかなる組合せも含まれるものであることに注意す
べきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 トップハット強度分布を生じるも本発明の光学フィルタにより変更さ
せたレーザシステムを有する装置を示す。
【図２Ａ】 レーザ源のガウス強度分布を示す。
【図２Ｂ】 本発明により変更させていないレーザシステムの出力のトップハッ
ト強度分布を示す。
【図３】 本発明により変更させていない場合の図１のシステムの出力のトップ
ハット強度分布と、これに代る所望の出力とを示す。
【図４】 本発明により図１の装置に用いる光学フィルタの第１実施例を示す。
【図５】 図１の装置に用いる光学フィルタの第２実施例を示す。
【図６】 図１の装置に用いる光学フィルタの第３実施例を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 19/00 Ｇ０２Ｂ 19/00 ５Ｆ０７２ Ｈ０１Ｌ 21/20 Ｈ０１Ｌ 21/20 Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｚ 3/101 3/101 // Ｂ２３Ｋ 101:40 Ｂ２３Ｋ 101:40 Ｆターム(参考） 2H042 BA03 BA11 BA16 2H048 GA04 GA12 GA22 GA24 GA30 GA61 2H052 BA02 BA09 BA11 4E068 AH01 CD05 DA10 5F052 AA02 BA01 BA04 BA12 BA18 BB03 CA07 DA02 JA01 5F072 JJ20 KK30 MM08 SS06 YY08

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二次元の領域に亙って第１の強度分布を有する二次元出力を生じ
    るレーザ源と、 予め決定したレンズピッチで配置した複数のレンズ素子を有し、入射レーザ入
    力の前記強度分布を変更するレンズ系と を具え、二次元のレーザ出力を生じるレーザシステムにおいて、 前記レーザ源と前記レンズ系との間に光学フィルタが設けられ、この光学フィ
    ルタは透明部分と不透明部分とを具え、透明部分は、レンズピッチに一致するピ
    ッチを有する繰返しパターンを規定し、光学フィルタはレンズ系に対する入力を
    変更して、レンズ系の出力がレーザシステムの出力に所望の強度分布を生ぜしめ
    るようになっていることを特徴とするレーザシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のレーザシステムにおいて、前記光学フィルタは
    １つ又は複数の開口を有するプレートを具えていることを特徴とするレーザシス
    テム。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のレーザシステムにおいて、前記光学フィルタは
    基板上に設けたパターン化された１つ又は複数の誘電体層を具えていることを特
    徴とするレーザシステム。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のレーザシステムにおいて、前記基板は石英基板
    を有していることを特徴とするレーザシステム。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザシステムにおいて、
    前記レーザ源がパルスレーザ源を有していることを特徴とするレーザシステム。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザシステムにおいて、
    前記第１の強度分布が準ガウス強度分布を有していることを特徴とするレーザシ
    ステム。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザシステムにおいて、
    前記レンズ系は、前記第１の強度分布を変更して、この強度分布の幅のかなりの
    部分に亙ってほぼ一定の強度を有するトップハット強度分布を生じるように設計
    されており、前記光学フィルタは、レンズ系の出力が強度分布の幅の一部に亙っ
    て傾斜した強度分布を有するように配置されていることを特徴とするレーザシス
    テム。
  8. 【請求項８】 請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザシステムにおいて、
    前記レンズ系は、前記第１の強度分布の幅を減少させるとともにこの第１の強度
    分布の長さを増大させてラインビームを生じるように設計されており、前記光学
    フィルタは、不連続なラインビーム出力を可能にするように配置されていること
    を特徴とするレーザシステム。
  9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザシステムにおいて、
    前記レンズ系の出力側の集束レンズと、この集束レンズの出力側の集束開口と、
    この集束開口の出力側のプロジェクションレンズとが更に設けられていることを
    特徴とするレーザシステム。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザシステムと、所望
    の強度分布の幅をレーザ処理のためのサンプルの表面に亙って走査する走査手段
    とを具えるレーザ装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の装置において、前記走査手段が、前記サン
    プルを支持する可動支持体を具えていることを特徴とするレーザ装置。
  12. 【請求項１２】 薄膜装置を製造するに当り、請求項１０又は１１に記載のレー
    ザ装置で半導体薄膜を結晶化させる方法において、前記所望の強度分布を有する
    レーザビームを半導体薄膜に亙って走査させてこの半導体薄膜をその厚さの一部
    に亙って溶融させることを特徴とする半導体薄膜を結晶化させる方法。
JP2001526325A 1999-09-24 2000-09-14 レーザシステム Pending JP2003510825A (ja)

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