JP2004055771A - 半導体薄膜の製造方法及びレーザ照射装置 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法及びレーザ照射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ＴＦＴ用のポリシリコン膜形成のレーザアニール工程で目合わせマークを同時に形成しようとすると、ポリシリコン膜形成用のビーム口径がｃｍオーダーなのに対して、ステッパ用目合わせマーク形成用のビーム口径はμｍオーダーであるので、目合わせマークを精度良く安価に形成することができなかった。
【解決手段】マーク形成用レーザのレーザ光の光軸を結晶化用レーザと同軸になるようマーク用光学系２１５を結晶化用レーザ光学系２１２とは別に配置し、かつ、比較的安価で利用しやすいＮｄ：ＹＡＧレーザを用いてレーザ照射装置２００を構成した。従って、比較的安価なレーザ照射装置２００により半導体薄膜１０３上に他の領域とは光学定数の異なる高精度のステッパ用目合わせマークを形成することができる。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）ＴＦＴを製造する際の目合わせ用マークの形成方法及びそれを可能にするレーザ照装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス基板上に集積回路を形成する薄膜素子として、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）ＴＦＴの開発が盛んに行われている。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の形成法としては現在、一旦ａ−Ｓｉ膜を形成した後にエキシマレーザ光を照射することにより、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を溶融・再結晶化させてｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を得るエキシマレーザ法が一般的である。レーザアニール装置としては、口径が３００ｍｍ×０．４ｍｍ程度の線状レーザ光を短軸方向に数十μｍピッチでスキャン照射する装置が市販されている。しかしながらスキャン法においては、例えば、信学技報ＳＤＭ９２−１１２巻（１９９２年）、５３頁に納田らにより開示されているように、ビーム端部の影響でＴＦＴ特性が不均一になるという問題がある。ＴＦＴ均一性向上策として、例えば特許第３１６３６９３号公報に開示されているように、ビーム端部の影響を排除するようレーザ光の照射強度が均一な領域内にＴＦＴを集積し、一括して照射するレーザアニール方法が考案されている。この一括照射法の場合、照射面積はレーザ光源のパルスエネルギーに依存するが、最近は携帯電話用ＬＣＤパネルの大きさに相当する４０×５０ｍｍ程度の面積を一括照射できる程度のパルスエネルギーを有するレーザ光源が開発されている。
【０００３】
一括照射法においては、レーザ照射位置とＴＦＴ位置の位置合わせが重要となる。位置合わせを行うには、例えば特開平８−７１７８０号公報に開示されているように、基板にステッパ用目合わせマークを設け、レーザ照射装置にマーク読み取り用のカメラを設けるのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ照射装置にカメラを備えた場合、レーザ照射装置は複雑化および大型化するという問題がある。特に、ＬＣＤ用ガラス基板は今や１ｍ角程度の大きさになり、アニールとは別の読み取りチャンバを設けると、レーザ照射装置のフットプリントは著しく悪化する。また、ＬＣＤ用ガラス基板のレーザに対する位置合わせを行うためには、ＸＹの２軸に加えてθ補正を有し、微調整のための精密動作が可能で複雑なステージが必要となる。従って装置コストは増大し、稼働率が低下する懸念が有る。また、基板マーク読み取りと位置合わせの時間が発生するために、アニール工程のスループットは低下する。更に、基板にマークを形成するにはＰＲ工程とエッチング工程が必要であるため、ＴＦＴ製造工程において工程数が増えると言う問題も発生する。
【０００５】
以上の問題を回避するには、レーザアニール工程で結晶化と同時にマークを形成することが考えられる。ａ−Ｓｉ膜とｐｏｌｙ−Ｓｉ膜とでは光学定数が異なるために、結晶化領域と非結晶化領域とでマークを形成することは可能である。
【０００６】
しかしながら、ＴＦＴ用のビーム口径がｃｍオーダーなのに対して、ステッパ用目合わせマークはμｍオーダーである。従って目合わせマークを精度良く形成するには、ｃｍオーダーのビーム形成に用いる１０ｃｍオーダーの寸法を有する比較的大型の光学素子に、μｍオーダーのビーム形成に必要な１０ｎｍオーダー以下程度の加工精度を持たせなければならず、このとき光学系のコストはｃｍオーダーのビーム形成に用いる通常の光学系よりも飛躍的に増大する。
【０００７】
また、マーク形成用にビーム口径をｃｍオーダーからμｍオーダーへと集光具合を可変する機構を設けることは現実的に不可能なため、マーク形成時にはマスクを用いてμｍオーダーのビームを形成する必要があるが、このとき高精細なマスクが必要となり、しかもビームの焦点深度が浅くなり、ステージ高さや基板厚さおよび表面荒さの精度によってはマークが十分に形成されないという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題を解決すべくなされたものであり、本発明の目的は、低コスト、高スループットで均一性の良い半導体薄膜の製造方法、およびフットプリントが小さく、安価で稼働率が高く、基板処理能力が高いレーザ照射装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、半導体薄膜に第１のレーザ及び前記第１のレーザと同軸の第２のレーザを照射して前記半導体薄膜にレーザ未照射領域と第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域をそれぞれ形成し、前記レーザ未照射領域と第２レーザ照射領域との光学定数差を用いてステッパ用読み取りマークを形成することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【００１０】
本発明に係る別の半導体薄膜の製造方法は、半導体薄膜に第１のレーザ及び前記第１のレーザと同軸の第２のレーザを照射して前記半導体薄膜にレーザ未照射領域と第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域をそれぞれ形成し、前記第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域との光学定数差を用いてステッパ用読み取りマークを形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るさらに別の半導体薄膜の製造方法は、半導体薄膜に第１のレーザ及び前記第１のレーザと同軸の第２のレーザを照射して前記半導体薄膜に第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域をそれぞれ形成し、前記第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域との光学定数差を用いてステッパ用読み取りマークを形成することを特徴とする。
【００１２】
上記本発明に係る半導体薄膜の製造方法はいずれも、前記第１レーザ照射領域で薄膜トランジスタの活性層を形成する、前記半導体薄膜がアモルファスシリコンである、前記半導体薄膜がポリシリコンである、前記第１のレーザがエキシマレーザである、という形態を採り得る。
【００１３】
本発明に係るレーザ照射装置は、半導体薄膜の所定領域に薄膜トランジスタの活性層を形成する第１のレーザ及びステッパ用読み取りマークを形成する第２のレーザを照射するレーザ照射装置であって、前記第１のレーザと前記第２のレーザとは同軸に設置されることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明に係るレーザ照射装置は、前記第１のレーザと前記第２のレーザとは互いに異なる口径である、前記第１のレーザがエキシマレーザである、前記第２のレーザに専用の光学素子が可動式である、という形態を採り得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、液晶パネルを構成するＴＦＴ基板及び対向基板のうちのＴＦＴ基板を形成するためのガラス基板を斜めから眺めた図であり、図１（ａ）〜（ｃ）は、ガラス基板上にＴＦＴ用の半導体薄膜を製造する方法を製造工程順に示したものである。また、図２は、半導体薄膜の製造に使用されるレーザ照射装置の模式図である。
【００１６】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、日本電気硝子製ＯＡ−１０ガラス基板１０１上に、ＰＥＣＶＤ法により下地ＳｉＯ　２膜１０２およびａ−Ｓｉ膜１０３を連続成膜した。それぞれの膜厚は、ＳｉＯ　２膜１０２が１００ｎｍ、ａ−Ｓｉ膜１０３が５０ｎｍであった。次に、ガラス基板１０１に５００℃、１０分の脱水素化処理を施し、図２に示すレーザ照射装置２００に搬入した。
【００１７】
結晶化用レーザ光として、ソプラ社製パルス出力１５ＪのＸｅＣｌエキシマレーザ光源（波長３０８ｎｍ）２１１を用い、光学系２１２により口径４１×５８ｍｍに整形したビームを４８０ｍＪ／ｃｍ　２の照射強度で、同一ヶ所に５回照射する工程を、照射位置を移動し繰り返し行った。この口径は駆動回路付き２．４型ＬＣＤパネルを作製するのに必要な大きさであり、基板サイズが５５０×６５０ｍｍであればパネルは１２０面取りとなるため、レーザ照射は１２０ヶ所となる。なお、ビーム端における強度の傾斜部は約０．３ｍｍの幅を有していた。ガラス基板１０１上のパネル間の間隔はシール幅、切断マージン等から１．５ｍｍとした。ステージ２１６の動作精度は０．０５ｍｍ以下であったため、後の位置合わせ工程が問題なく行われれば、ビーム端は無理なくＴＦＴの無いパネル間領域に位置できる。通常ステッパの位置合わせ精度は０．５μｍ以下である。
【００１８】
次に、マーク形成用レーザとして、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ２倍波光源（波長５３２ｎｍ）２１４を用いた。レーザ光の光軸は結晶化用レーザと同軸になるようマーク用光学系２１５を配置してあり、一部の光学素子は可動式にし、マーク用照射時のみ用いることにした。レーザ光の口径は出射時の１００μφから基板上では１０μφとした。強度プロファイルはガウシアンで、特に整形は行わず、ピーク強度が１５０ｍＪ／ｃｍ　２となる条件で１回照射したドット状の結晶化領域を、ＸＹ方向に３列づつ作製してステッパ用目合わせマークを形成した。ここで、結晶化用レーザとマーク用レーザが同軸であるため、各々の位置精度はステージ動作精度内に収まる。同軸でないときはステージ動作に加えてレーザ光軸格差の精度が加わり、位置の誤差が拡大してしまう。
【００１９】
なお、マーク形成用レーザはＡｒレーザ、ＣＯ　２レーザなど他のレーザを用いても良いが、主たる結晶化用光学系２１２は３０８ｎｍに合わせた無反射コートが成されているため、ａ−Ｓｉ膜の吸収係数及びレーザ照射装置２００の利用効率を考慮した場合、マーク用レーザの波長は３０８ｎｍに近い方が望ましい。しかしながらエキシマ光源は高額であるので、比較的安価で利用しやすいＮｄ：ＹＡＧレーザをここでは用いた。なお、Ｎｄ：ＹＡＧレーザはｃｗタイプでも良い。また、２倍波の代りに４倍波（波長２６６ｎｍ）を用いても良いが、４倍波を用いたレーザ照射装置はより低パワーで高コストとなる。
【００２０】
マーク用光学系２１５において、ディフューザーを用いてビーム整形を行い、マスクイメージ法によりステッパ用目合わせマークを形成してもよいが、マスク形成用レーザ光の利用効率が低下するため、ステージ動作精度が十分確保されているのであれば、ビーム整形を行わないスポット照射で目合わせマークを形成したほうが良い。
【００２１】
以上のように結晶化用レーザとマーク用レーザを照射されたａ−Ｓｉ膜１０３には後にＴＦＴとなるｐｏｌｙ−Ｓｉ領域１０４とマークｐｏｌｙ−Ｓｉ領域１０５が形成された。次に、ガラス基板１０１表面にレジストを塗布し、ステッパにガラス基板１０１を搬入し、マークｐｏｌｙ−Ｓｉ領域１０５をもとにアイランドパターンを形成した。ａ−Ｓｉ領域とｐｏｌｙ−Ｓｉ領域で光学定数が変化しているため、マーク読み取りには何の支障も無かった。その後、通常の低温ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ用プロセスを用い、アイランド形成用ドライエッチング、ゲート絶縁膜成膜、ゲート電極形成、不純物注入、不純物活性化、電極形成等を行い、ＴＦＴが完成する。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施形態について図１、２を参照して説明する。
第１の実施形態と同様にガラス基板１０１上にａ−Ｓｉ膜１０３を形成した。次に、ａ−Ｓｉ膜１０３を一旦５８０℃で１５時間アニールすることにより固相成長ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成した。次に、このｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に第１の実施形態と同様なレーザ照射装置２００を用いて再結晶化用レーザとマーク形成用レーザを照射した。ここで再結晶化用レーザは２．１型ＬＣＤパネルに相当する３６×５１ｍｍ、照射強度５５０ｍＪ／ｃｍ　２、照射回数３回とした。マーク形成用レーザの照射条件は４００ｍＪ／ｃｍ　２、照射回数３０回とし、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をアブレーション除去する条件とした。ここではｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の有無によりステッパ用マークが形成された。なお、一旦固相成長ｐｏｌｙ−Ｓｉを形成してからレーザ照射すると、大粒径ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が得られる。例えば本実施例では粒径は最大５μｍ程度となったが、第１の実施形態では粒径は０．３μｍ程度であった。
【００２３】
本実施形態においてはｐｏｌｙ−Ｓｉ領域中のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の無い領域を目合わせ用マークとすることにより、第１の実施形態と同様に何の支障も無くマーク読み取り作業を行うことができた。
【００２４】
なお、本実施形態に見られるようにマーク形成用レーザ照射に於いてｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をアブレーション除去する場合、マーク形成用照射域１０５を再結晶化用レーザ照射域１０４内に形成し、レーザ照射ｐｏｌｙ−Ｓｉ領域中のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の無い領域を目合わせマークとしても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体薄膜の製造方法及びレーザ照射装置によれば、マーク形成用レーザのレーザ光の光軸を結晶化用レーザと同軸になるようマーク用光学系を結晶化用レーザ光学系とは別に配置し、かつ、比較的安価で利用しやすいＮｄ：ＹＡＧレーザを用いてレーザ照射装置を構成した。従って、レーザ照射装置にステッパ用マーク読み取りカメラやそのための専用チャンバ、およびθ補正を含めた微調整が必要な基板ステージを備える必要が無いため、安価でフットプリントが小さく、稼働率が高く、基板処理能力が高いレーザ照射装置が得られる。また、レーザ照射前に目合わせマークを形成する必要と、レーザ照射時に目合わせマークを読み取る必要が無いため、ビーム継ぎ目の影響の無い高均一のｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜が低コスト、高スループットで得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、２の実施形態に係る半導体薄膜の製造方法を製造工程順に示したものである。
【図２】本発明の第１、２の実施形態に係る半導体薄膜の製造方法に使用されるレーザ照射装置の模式図である。
【符号の説明】
１０１　　ガラス基板
１０２　　下地ＳｉＯ　２膜
１０３　　ａ−Ｓｉ膜
１０４　　ｐｏｌｙ−Ｓｉ領域
１０５　　マークｐｏｌｙ−Ｓｉ領域
２００　　レーザ照射装置
２１１　　ＸｅＣｌエキシマレーザ光源
２１２　　光学系
２１４　　Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ２倍波光源
２１５　　マーク用光学系
２１６　　ステージ

Claims (11)

  1. 半導体薄膜に第１のレーザ及び前記第１のレーザと同軸の第２のレーザを照射して前記半導体薄膜にレーザ未照射領域と第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域をそれぞれ形成し、前記レーザ未照射領域と第２レーザ照射領域との光学定数差を用いてステッパ用読み取りマークを形成することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  2. 半導体薄膜に第１のレーザ及び前記第１のレーザと同軸の第２のレーザを照射して前記半導体薄膜にレーザ未照射領域と第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域をそれぞれ形成し、前記第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域との光学定数差を用いてステッパ用読み取りマークを形成することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  3. 半導体薄膜に第１のレーザ及び前記第１のレーザと同軸の第２のレーザを照射して前記半導体薄膜に第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域をそれぞれ形成し、前記第１レーザ照射領域と第２レーザ照射領域との光学定数差を用いてステッパ用読み取りマークを形成することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  4. 前記第１レーザ照射領域で薄膜トランジスタの活性層を形成する請求項１乃至３のいずれか一項記載の半導体薄膜の製造方法。
  5. 前記半導体薄膜がアモルファスシリコンである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体薄膜の製造方法。
  6. 前記半導体薄膜がポリシリコンである請求項１乃至４いずれか一項に記載の半導体薄膜の製造方法。
  7. 前記第１のレーザがエキシマレーザである請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体薄膜の製造方法。
  8. 半導体薄膜の所定領域に薄膜トランジスタの活性層を形成する第１のレーザ及びステッパ用読み取りマークを形成する第２のレーザを照射するレーザ照射装置であって、前記第１のレーザと前記第２のレーザとは同軸に設置されることを特徴とするレーザ照射装置。
  9. 前記第１のレーザと前記第２のレーザとは互いに異なる口径である請求項８に記載のレーザ照射装置。
  10. 前記第１のレーザがエキシマレーザである請求項８又は９記載のレーザ照射装置。
  11. 前記第２のレーザに専用の光学素子が可動式である請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
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