JP2004349635A - レーザアニール方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】薄膜に対し、レーザエネルギーを無駄なく利用してレーザアニール処理をし、大結晶粒を形成可能とする。
【解決手段】レーザ光源３００から出射されたレーザビームを、アニールの基板１５０のａ−Ｓｉ層に透過させる光路上で折り返し照射することにより、ａ−Ｓｉ層にレーザビームを複数回透過させる。よってレーザビームがａ−Ｓｉ層を透過する際にエネルギーが吸収される操作が複数回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。さらに、ａ−Ｓｉ層は、そのレーザビームを複数回透過された部分で、透過方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることにより、ａ−Ｓｉ層における横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【選択図】 図２
【解決手段】レーザ光源３００から出射されたレーザビームを、アニールの基板１５０のａ−Ｓｉ層に透過させる光路上で折り返し照射することにより、ａ−Ｓｉ層にレーザビームを複数回透過させる。よってレーザビームがａ−Ｓｉ層を透過する際にエネルギーが吸収される操作が複数回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。さらに、ａ−Ｓｉ層は、そのレーザビームを複数回透過された部分で、透過方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることにより、ａ−Ｓｉ層における横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームを折り返し照射することにより対象物に対し複数回伝搬透過させてアニール処理を行う、レーザアニール方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）ディスプレイ等のフラットパネル・ディスプレイの小型軽量化、低コスト化の観点から、画素表示ゲート用の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）だけでなく、駆動回路や信号処理回路、画像処理回路などをＬＣＤのガラス基板上に直接形成するシステム・オン・ガラス（ＳＯＧ）−ＴＦＴが注目されている。
【０００３】
このような画素表示ゲート用のＴＦＴには、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が使用されてきたが、ＳＯＧ−ＴＦＴにはキャリア移動度の大きいポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が必要である。しかしながら、ガラスの変形温度は６００°Ｃと低いことから、ポリシリコン膜の形成に６００℃以上の高温を利用した結晶成長技術を使用することができない。このため、ポリシリコン膜の形成には、アモルファスシリコン膜を低温（１００〜３００°Ｃ）で形成した後、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザによるパルス照射でアモルファスシリコン膜を熱溶融し、冷却過程で結晶化させるエキシマ・レーザアニール（ＥＬＡ）が用いられている。このＥＬＡを用いることにより、ガラス基板に熱的損傷を与えずにポリシリコン膜を形成することができる。
【０００４】
従来のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）をポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）化させるレーザニール処理は、ＸｅＣｌエキシマレーザの波長３０８ｎｍ光を、ａ−Ｓｉ膜に対し片側から一方向のみ照射して行われている。このＸｅＣｌエキシマレーザの波長３０８ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数は１×１０６ｃｍ−１と大きいので、入力エネルギーは表面の極近傍（＜１ｎｍ）で吸収される。
【０００５】
このため、エキシマ・レーザアニールでは、レーザエネルギーの吸収および熱伝搬によって溶融したＳｉ層では深度方向に大きな温度勾配が生じ、例えば図２９に示す部分溶融の状態となることがある。
【０００６】
この場合には、熱が主に基板方向に拡散し、溶融しないで残存したａ−Ｓｉが８００℃で固相間で結晶相へ相転移を起すため、溶融Ｓｉ相とａ−Ｓｉ相の境界部に結品核が発生する。発生した結晶核は、それを起点として、温度勾配に沿って図の上向き方向に結晶成長する。隣接結晶核から成長した結晶粒とぶつかり、結晶粒が小さく結晶粒界が多い状態で結晶成長が止まる。
【０００７】
ここで、ＴＦＴの高性能化には、高い電荷移動度が要求される。電子にとって結晶粒界は移動の障壁になるため、電荷移動度を上げるためには、結晶粒界の少ないすなわち大きい結晶粒の生成が重要である。
【０００８】
そこで、エキシマ・レーザアニールでは、図３０に示すように、エキシマレーザの出力を上げ残存ａ−Ｓｉ相を島状にすると、発生する結晶核の数が少なくなり一つひとつの結晶粒が大きく成長する状態となる。
【０００９】
またエキシマ・レーザアニールでは、図３１に示すように、さらにエキシマレーザの出力を上げａ−Ｓｉ相を完全溶融してしまうと、融点以下になっても結晶化しない過冷却状態となる。そして温度が下がると一転して結晶核が一斉に発生し微小結晶粒で全体が埋め尽くされる状態となる。
【００１０】
上述したレーザ強度と結晶粒径の関係を定性的に表すと図３２のように、なる。レーザ強度を上げていくと、それにつれ部分溶融（ａ）の状態から残存ａ−Ｓｉ相を島状にする溶融状態（ｂ）となるように結晶粒径は増大するが、ａ−Ｓｉが完全溶融するレーザ強度を超えた途端に完全溶融状態（ｃ）となり、結晶粒径は一気に微細化する。一方エキシマレーザの出力安定度は悪く通常１０〜１５％程度の強度揺らぎ（図３２にハッチングで例示）が避けられない。このため実効的にはエキシマレーザアニールで得られる結晶粒径は現状０．３μｍ程度に止まる。これは、結晶成長方向を鉛直方向（図２９、図３０に向かって鉛直方向）にしたことの限界でもある。
【００１１】
こうした問題に対し、ａ−Ｓｉを完全溶融させ過冷却状態を生じさせないようにゆっくりと基板を走査し、結晶成長を横方向に制御するアニール法が考案されている。
【００１２】
このアニール法では、図３３に示すようにレーザが照射されないａ−Ｓｉ層から結晶核が発生するが、温度勾配のためａ−Ｓｉと溶融層境界の底部の結晶核から斜め上方に結晶成長が進む。これは深度方向に温度勾配があるため、固液界面が斜め方向にねてしまい斜めの固液界面に垂直に結晶成長が進むと考えられる。
【００１３】
いずれにしても膜厚と反対側からの結晶粒との衝突により、結晶粒界の大きさが制限されてしまう。これは溶融層深度方向の温度勾配が大きいことが本質的原因である。
【００１４】
そこで、エキシマレーザ横方向結晶成長の問題点を解決するものとして、レーザ出力安定度の高い（１％）高出力Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニールが考案されている。
【００１５】
Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数は、５×１０４ｃｍ−１のため入力エネルギーの９０％を吸収するのに４６０ｎｍの膜厚を必要とする。このＮｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光は、エキシマレーザの波長３０８ｎｍ光に比べて吸収係数が１．５桁ほど少ないため、図３４に示すように、同じ膜厚で比較すれば５３２ｎｍのほうが深度方向に対する温度勾配は平坦となり、固液界面は垂直に立ちやすい。このため横方向への成長距離が長くとれ大きな結晶粒界が生成される。
【００１６】
また、エキシマレーザ横方向結晶成長の問題点を解決するものとして、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ２絶縁薄膜／Ｃｒ光吸収薄膜／基板の４層構造の試料をエキシマレーザ光（３０８ｎｍ）で両面照射するレーザアニール方法が開示されている。これは裏面からのレーザエネルギーをＣｒの光吸収薄膜層で吸収しＳｉＯ２層下熱浴を発生させ、表面側からのレーザエネルギーにより生じたＳｉ層の熱を基板方向へ流出しにくくし、Ｓｉ膜内に蓄えられた熱エネルギーの流出速度を下げるとともにＳｉ膜面方向へ伝搬させ、横方向への結晶成長を制御するものである（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１７】
また、固体レーザによる両面照射のレーザアニール装置として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）を利用したものが開示されている。
【００１８】
この両面照射のレーザアニール装置では、別々のレーザ光ビームが表裏両面からＳｉ膜を１回通過するものである。すなわち、Ｓｉ膜の同一箇所を、表面側から通過させると共に、裏面側からも通過させることによって、アニール処理するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【００１９】
【非特許文献１】
松村 正清 著 表面科学２１巻 第５号 ｐｐ２７８−２８７、２０００
２０００年３月２８日受理
【特許文献１】
特開２００１−１４４０２７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような、ＸｅＣｌエキシマレーザを利用したレーザアニール法では、光出力が不安定で出力強度が±１０％の範囲で変動する。このため、ＥＬＡでは、ポリシリコン膜中の結晶粒径サイズがばらつき、再現性が悪い。また、ＸｅＣｌエキシマレーザは、パルス駆動の繰り返し周波数が３００Ｈｚと低いので、ＥＬＡでは、連続的な結晶粒界の形成が困難で、高いキャリア移動度が得られないし、大面積を高速にアニールできない。さらに、レーザチューブやレーザガスの寿命が１×１０７ショット程度と短くメンテナンスコストが高い、装置が大型化し、エネルギー効率が３％と低い、という固有の問題もある。
【００２１】
ところでＴＦＴの性能向上には、結晶粒径の増大とともに結晶膜の薄層化（５０ｎｍ以下）も重要である。
【００２２】
しかし、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成が可能なＮｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニール法では、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数が小さいため固液界面は垂直方向に立つものの、ａ−Ｓｉ膜を溶融させるのに必要なエネルギー吸収を確保するためには１５０ｎｍ以上の膜厚が必要となる。
【００２３】
よって、レーザアニール法では、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成させることと、薄膜結晶化こととが、ａ−Ｓｉの光物性に起因する相反事項となっており、これらの相反する要求を両立することが困難である。
【００２４】
さらに、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニール法では、入力エネルギーの９０％を吸収するのに４６０ｎｍの膜厚を必要とするから、ａ−Ｓｉ膜を薄くすると、それだけ入力エネルギーの無駄が増大する傾向にある。
【００２５】
本発明は上述の事実を考慮し、レーザエネルギーを無駄なく利用して大結晶粒を形成可能とすると共に、薄膜結晶化を可能としたレーザアニール方法及び装置を新たに提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のレーザアニール方法は、レーザ光源から出射されたレーザビームを、アニールの対象物内に透過させる光路上で折り返し照射することにより、対象物にレーザビームを複数回透過させて、対象物内の透過方向に生じるエネルギー吸収分布を一定に保つようにすることを特徴とする。
【００２７】
上述のレーザアニール方法によれば、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が複数回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００２８】
本発明の請求項２に記載のレーザアニール装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームをアニールの対象物内に透過させる光路と、光路上における、レーザ光源と、対象物との間に配置されて、レーザ光源から出射されたレーザビームを透過させる偏光ビームスプリッターと、対象物を透過したレーザビームを、対象物内に透過させる光路上で折り返し照射するように反射させるミラーと、対象物と、ミラーとの間の光路上に配置されたλ／４板と、対象物を透過したレーザビームである入射偏光がλ／４板を通り、ミラーに反射されて再びλ／４板を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから、対象物内を再度透過してから偏光ビームスプリッターで反射されたレーザビームを、対象物内に透過させる光路上に折り返すように反射させるミラーと、を有することを特徴とする。
【００２９】
上述のように構成することにより、レーザ光源から出射されたレーザビームが、対象物を第１回目に透過し、λ／４板を通りミラーに反射されて再びλ／４板を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから対象物内を第２回目に透過してから、偏光ビームスプリッターで反射し、ミラーで反射されて対象物内に透過させる光路上に折り返され、対象物内を第３回目に透過してから、λ／４板を通りミラーに反射されて再びλ／４板を通って入射偏光と同じ偏光とされてから対象物内を第４回目に透過する。
【００３０】
よって、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が４回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００３１】
本発明の請求項３に記載のレーザアニール装置は、アニールさせる膜と、アニールさせる膜を透過したレーザビームを、アニールさせる膜内に透過させる光路上で折り返すように反射させる反射膜と、アニールさせる膜と反射膜との間に配置されたλ／４板の機能を有するバッファ層とを有する対象物をアニール処理の対象とし、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームを対象物に設けたアニールさせる膜に透過させる光路と、光路上における、レーザ光源と対象物との間に配置されて、レーザ光源から出射されたレーザビームをアニールさせる膜に透過させる偏光ビームスプリッターと、アニールさせる膜を透過したレーザビームである入射偏光がλ／４板の機能を有するバッファ層を通り、反射膜に反射されて再びλ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから、アニールさせる膜内を再度透過してから偏光ビームスプリッターで反射されたレーザビームを、対象物内に透過させる光路上に折り返すように反射させるミラーと、を有することを特徴とする。
【００３２】
上述のように構成することにより、レーザ光源から出射されたレーザビームが、対象物を第１回目に透過し、λ／４板の機能を有するバッファ層を通り反射膜に反射されて再びλ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから対象物内を第２回目に透過してから、偏光ビームスプリッターで反射し、ミラーで反射されて対象物内に透過させる光路上に折り返され、対象物内を第３回目に透過してから、λ／４板の機能を有するバッファ層を通り反射膜に反射されて再びλ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光と同じ偏光とされてから対象物内を第４回目に透過する。
【００３３】
よって、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が４回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００３４】
本発明の請求項４に記載のレーザアニール装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームをアニールの対象物内に透過させる光路と、対象物を透過したレーザビームを、対象物内に透過させる光路上で折り返し照射するように反射させるミラーと、を有することを特徴とする。
【００３５】
上述のように構成することにより、レーザ光源から出射されたレーザビームが、対象物を第１回目に透過し、ミラーに反射されて対象物内を第２回目に透過する。
【００３６】
よって、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が２回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを有効に利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００３７】
請求項５に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載のレーザアニール装置において、アニールの対象物が、膜厚２５〜２３０ｎｍに構成されたアモルファスシリコンであり、レーザ光源が、Ｎｄ系固体レーザを発振源とするレーザの第２高調波の光ビームを発振するものであることを特徴とする。
【００３８】
上述のように構成することにより、アニールの対象物をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とした場合に、Ｎｄ系固体レーザをレーザ光源とすることで高い出力安定性が得られると同時に、波長５００ｎｍ前後のレーザビームに対するアモルファスシリコンにおける吸収係数が比較的小さいため、アモルファスシリコンの膜厚を略２５〜２３０ｎｍに構成したときには、レーザビームが対象物であるアモルファスシリコン層に対して同一光路上を折り返し照射することで、アモルファスシリコン層の厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとし、固液界面を垂直に立ちやすくして横方向への成長距離が長くとれ大きな結晶粒界が生成されるようにできる。よって、キャリア移動度の大きいポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成でき、ＳＯＧ−ＴＦＴの高性能化を図ることができる。
【００３９】
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至請求項５の何れかに記載のレーザアニール装置において、レーザ光源が、ＧａＮ系半導体レーザによる４００ｎｍから４６０ｎｍの波長の光ビームを出射するものであることを特徴とする。
【００４０】
上述のように構成することにより、レーザ波長λが、λ＜４００ｎｍとなって紫外線域となると、光分解性が高くなり、ミラーやレンズ等に付着している埃に照射された際に、ミラーやレンズ等に付着している埃を光分解して汚染させる虞があるが、ＧａＮ系半導体レーザの波長λを、λ≧４００ｎｍとして、ミラーやレンズ等の汚染防止をすることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの発振上限のレーザ波長λは、λ≦４６０ｎｍである。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明のレーザアニール方法及び装置を低温ポリシリコンＴＦＴ形成に適用した実施の形態について詳細に説明する。
【００４２】
本実施の形態に係わるレーザアニール装置が用いられる低温ポリシリコンＴＦＴ形成プロセスでは、まず、図１７（Ａ）に示すように、ガラス製又はプラスチック製の透明な基板１５０上に、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）絶縁膜１９０を堆積し、ＳｉＯｘ絶縁膜１９０上にアモルファスシリコン膜１９２を堆積する。
【００４３】
このアモルファスシリコン膜１９２をレーザアニールにより多結晶化してポリシリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、例えば、図１７（Ｂ）に示すように、透明な基板１５０上に、ＳｉＯｘ絶縁膜１９０を介して、ポリシリコンゲート１９４、ポリシリコンソース／ポリシリコンドレイン１９６、ゲート電極１９８、ソース／ドレイン電極２００、及び層間絶縁膜２０２を備えたポリシリコンＴＦＴを形成する。
［レーザアニール装置の構成］
本実施の形態に係るレーザアニール装置は、図１に示すように、対象物としてのアモルファスシリコン膜が堆積された透明な基板１５０を表面に吸着して保持する平板状のステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された厚い板状の設置台１５６の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド１５８が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、このレーザアニール装置には、ステージ１５２をガイド１５８に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【００４４】
設置台１５６の中央部には、ステージ１５２の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート１６０が設けられている。コ字状のゲート１６０の各端部は、それぞれ設置台１５６の両側面に固定されている。このゲート１６０を挟んで一方の側にはスキャナ１６２が設けられ、他方の側には透明な基板１５０の先端及び後端を検知する複数（例えば、２個）の検知センサ１６４が設けられている。スキャナ１６２及び検知センサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２及び検知センサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００４５】
このレーザアニール装置では、ａ−Ｓｉ膜内に複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法を実施可能とするため、スキャナ１６２からステージ１５２の裏側にかけて、図２に示すレーザ折り返し照射手段が構成されている。
【００４６】
このレーザ折り返し照射手段では、レーザ光源３００としてＮｄ系固体レーザを発振源とするレーザ光の第２高調波を用いる。また、レーザ光源３００には、図示しないが第３高調波、第４高調波に対する波長変調器を設けても良い。
【００４７】
このようにレーザ光源３００としてＮｄ系固体レーザを発振源とするレーザ光の第２高調波を用いるのは、次の理由による。
【００４８】
まず、レーザ光源３００から対象物としての基板１５０へ投射された光エネルギーがａ−Ｓｉ層で吸収される様子を説明する。いまａ−Ｓｉ層内部の薄層Δｄを考え、このΔｄで吸収されるエネルギー量を考える。入力エネルギーをＰ０とすると深さｄまでで吸収されるエネルギーはＰ０ｅｘｐ（−αｄ）である。また深さｄ＋Δｄまでで吸収されるエネルギーはＰ０ｅｘｐ（−α（ｄ＋Δｄ））である。したがってΔｄの層厚で吸収されるエネルギーはＰ０｛ｅｘｐ（−αｄ）−ｅｘｐ（−α（ｄ＋Δｄ））｝であるから、次式が成立する。
【００４９】
【数１】
よって、上式から、ある深さｄで吸収されるエネルギーＰｄは、Ｐｄ＝Ｐ０αｅｘｐ（−αｄ）ｓと表せる。
【００５０】
ここで、図３は５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉ膜内でのエネルギー吸収の様子を示している。表面から吸収が起こり膜内で指数開数的に吸収が少なくなりながら、５００ｎｍの膜厚で入力エネルギーＰ０を全て吸収し終わる。図中のＸ軸、Ｙ軸、指数関数曲線で囲まれた面積は入力エネルギーＰ０に対応する。エネルギー吸収が図３のように起こるため、膜内の温度もほぼ図３と同様の分布を持つこととなる。
【００５１】
このため固液界面も温度分布を反映し、ａ−Ｓｉ膜面に対し垂直に近くなる（前述した図３に示す如くになる）。このため結晶成長は膜面方向に進むので膜厚に制限されない。
【００５２】
しかし５３２ｎｍのレーザ光の吸収係数は５×１０４ｃｍ−１であるから、５０ｎｍの膜厚では入力エネルギーの約２２％が吸収されるだけとなり、結晶化に必要なエネルギーをａ−Ｓｉ層へ投入するためにはそれだけ入力エネルギーを大きくする必要が生じる。このため本発明は５０ｎｍ程度の薄層で５３２ｎｍが十分に吸収され、入力エネルギーを無駄なく利用して、かつ膜厚に制限されない横方向結晶成長を実現し、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成と薄膜結晶化とを同時に実現するため、５３２ｎｍのレーザ光が、Ｓｉ膜内を複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法を適用することで、膜内の膜厚方向に生じるエネルギー吸収分布を一定に保つものである。
【００５３】
次に、膜内を複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法における、吸収係数α（λ）、膜厚ｄ及び折り返し数ｎとの関係について説明する。
【００５４】
ここで、入力パワーＰ０が、吸収係数α（λ）の膜厚ｄを透過するときのパワーＰは、Ｐ＝Ｐ０ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）である。よって、膜厚ｄで吸収されるパワーＰｄは、Ｐｄ＝Ｐ０（１−ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）である。
【００５５】
したがって吸収率ηａｂｓはηａｂｓ＝１−ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）…▲１▼である。
【００５６】
また、膜厚内に入力された光エネルギーの実効的な吸収領域が存在することを、ηａｂｓ＝０．９９…▲２▼で規定する。さらに入力された光エネルギーを有効利用できることを、ηａｂｓ＝０．４…▲３▼で規定する。
【００５７】
▲１▼、▲２▼よりｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）＝０．０１だからα（λ）・ｄ〜４．６…▲４▼を得る。
【００５８】
また▲２▼、▲３▼よりｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）＝０．６だからα（λ）・ｄ〜０．５…▲５▼を得る。
【００５９】
よって▲４▼▲５▼より、エネルギーロスが許容範囲にあり、かつ両面照射の効果が有効に生じる範囲は、０．５≦α（λ）・ｄ≦４．６…▲６▼となる。
【００６０】
ここで、折り返し照射の有効性が顕著にでるのは、「行き」「帰り」の往復パスが形成される場合である。したがって折り返し数をｎとすると▲６▼は
０．５／２ｎ≦α（λ）・ｄ≦４．６／２ｎ…▲７▼となる。
【００６１】
よって▲７▼で吸収係数α（λ）と膜厚ｄおよび折り返し数ｎの関係が規定される。
【００６２】
例えば、５３２ｎｍのレーザ光を、ａ−Ｓｉ膜内に複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法について見ると、▲７▼は以下の通りである。
【００６３】
０．５／２ｎ≦α（５３２ｎｍ）・ｄ≦４．６／２ｎ ▲７▼
ｄ：膜厚 実際に照射するａ−Ｓｉの厚さ
α（５３２ｎｍ）：ａ−Ｓｉと波長に依存する係数
▲７▼式を満たす整数ｎは、
α（５３２ｎｍ）＝５×１０４ｃｍ−１
ｄ＝５０ｎｍ
０．５≦２ｎα（５３２ｎｍ）ｄ≦４．６
０．５≦０．５ｎ≦４．６
ｎ＝１．２．．．９
となる。
【００６４】
次に、レーザアニール処理の一例として、アニールの対象物をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とし、その膜厚を２５ｎｍ〜２３０ｎｍとし、レーザ光源がＮｄ系固体レーザを発振源とするレーザの第２高調波の光ビームを発振するものとされ、レーザビームを２回折り返し照射（折り返し数ｎ）する場合について説明する。
【００６５】
この場合には、Ｎｄ系固体レーザをレーザ光源とすることで高い出力安定性が得られると同時に、波長５００ｎｍ前後のレーザビームに対するアモルファスシリコンにおける吸収係数が比較的小さいため、アニールの対象物であるアモルファスシリコンの膜厚を略２５ｎｍ〜２３０ｎｍに構成したときには、レーザビームが対象物であるアモルファスシリコン層に対して同一光路上を折り返し照射することで、アモルファスシリコン層の厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとし、固液界面を垂直に立ちやすくして横方向への成長距離が長くとれ大きな結晶粒界が生成されるようにできる。よって、キャリア移動度の大きいポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成でき、ＳＯＧ−ＴＦＴの高性能化を図ることができる。
【００６６】
ここで、アニールの対象物であるアモルファスシリコンは、その膜厚を略２５ｎｍ〜２３０ｎｍとすることの根拠は、以下の通りである。
【００６７】
前述した、有効に折り返し照射が行える条件式
０．５／２ｎ≦α（５３２ｎｍ）・ｄ≦４．６／２ｎ ▲７▼
に、折り返し数ｎ＝２、α（５３２ｎｍ）＝５×１０４ｃｍ−１の数値を代入して、膜厚ｄについての不等式として整理すると、２５ｎｍ≦ｄ≦２３０ｎｍとなる。よって、２回折り返し照射が有効なアモルファスシリコンの膜厚は、略２５ｎｍ〜２３０ｎｍとなる。
【００６８】
図２において、レーザ光源にＮｄ系固体レーザとしてＮｄ：ＹＶＯ４レーザを使用した複数のＮｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源を用いた場合を考える。このレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、複数のＮｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームを、各対応するビーム成形光学系３０２及び空間光変調器３０４とにより所望のビーム強度の光ビームに成形するよう構成する。
【００６９】
さらに、レーザ折り返し照射手段には、所望のビーム強度の光ビームに成形された各波長５３２ｎｍのレーザ光を、それぞれ全てのレーザ光源３００からの波長５３２ｎｍのレーザ光に対応して構成したミラー３０６により反射し、偏光ビームスプリッター３０８を透過させて、レンズ３１０（シリンドリカルレンズ）により、対象物としての基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に投射する光路が構成されている。
【００７０】
このように対象物としての基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に投射された光エネルギーはａ−Ｓｉ膜により一部吸収され、一部は光ビームとして透過する。
【００７１】
このレーザ折り返し照射手段には、対象物としての基板１５０の裏側に、透過した光ビームをレンズ３１２（シリンドリカルレンズ）により成形し、λ／４波長板３１４を透過し円偏光の光ビームとされてからミラー３１６により反射され、再びλ／４波長板３１４を透過し、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームとは直交した直線偏光の光ビームとなり、再びレンズ３１２により対象物としての基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面より第２回目の投射をさせる光路が構成されている。
【００７２】
このように、基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面から投射された光エネルギーは、再度一部がａ−Ｓｉ膜により吸収され、一部は光ビームとして透過する。
【００７３】
このレーザ折り返し照射手段には、ａ−Ｓｉ膜を透過した、直交した直線偏光の光ビームをレンズ３１０に通してから偏光ビームスプリッター３０８で反射し、さらにミラー３１８で反射し、再び偏光ビームスプリッター３０８で反射させて、再度レンズ３１０により、基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に第３回目の投射をする光路が構成されている。
【００７４】
このように基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に第３回目の投射がされた光エネルギーはａ−Ｓｉ膜により一部吸収され、一部は光ビームとして透過する。
【００７５】
そして、第３回目の投射で透過した光ビームは、基板１５０の裏側に構成された光路における、レンズ３１２により成形され、λ／４波長板３１４を透過し円偏光の光ビームとされてからミラー３１６により反射され、再びλ／４波長板３１４を透過し、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームと同一偏光方向の光ビームとなり、再びレンズ３１２により基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面より第４回目の投射がされる。
【００７６】
このように、基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面から第４回目に投射された光エネルギーは、再度一部がａ−Ｓｉ膜により吸収され、一部は光ビームとして透過し、レンズ３１０に通してから、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームと同一偏光方向の光ビームとして、偏光ビームスプリッター４を透過する。
【００７７】
上述のような過程を経ることで、５３２ｎｍ光ビームはａ−Ｓｉ膜を２往復（４回透過）することとなり５０ｎｍの膜厚において、２００ｎｍの膜厚に相当する光エネルギーの吸収を実現できる。
【００７８】
すなわち、図４（Ａ）にハッチングで示すように、２００ｎｍの膜厚で吸収する光エネルギーに相当するエネルギーを吸収することとなり、入力エネルギーの約６６％に高めることができる。
【００７９】
さらに、図４（Ｂ）に示すように、光エネルギーは、５０ｎｍ膜厚のなかで４つに折り返される（４回透過される）ため、吸収した入力エネルギーが、図４（Ｃ）に示すように、５０ｎｍ膜厚内で、膜厚深さ方向に対しほぼ均一に吸収された分布状態となる。
【００８０】
この場合のａ−Ｓｉ膜内の温度分布は、この均一な吸収エネルギー分布に追随し、図４（Ｄ）に示すように、膜厚深さ方向に対しほぼ一定の分布となる。
【００８１】
これにより入力エネルギーの無駄を少なくし、５３２ｎｍ光ビームを一回透過させたワンパスの場合よりも、さらに膜厚深さ方向（深度方向）に対する均一な温度分布が実現される。この結果、５０ｎｍ程度の比較的薄い膜厚で入力エネルギーを無駄なく利用して、かつ膜厚の薄さに制限されない横方向結晶成長を実現でき、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成と薄膜結晶化の相反する要求を両立することができる。
【００８２】
すなわち、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が複数回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００８３】
なお、上述したレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、複数のレーザ光源３００に各々対応した、各光学系３０２及び各空間光変調器（ＤＭＤ）３０４と、複数のレーザ光源３００等の全体に対応したミラー３０６、偏光ビームスプリッター３０８、レンズ３１０、レンズ３１２、λ／４波長板３１４、ミラー３１６及びミラー３１８とで構成した例について説明したが、複数のレーザ光源３００に一対一に対応するよう、それぞれミラー３０６、偏光ビームスプリッター３０８、レンズ３１０、レンズ３１２、λ／４波長板３１４、ミラー３１６及びミラー３１８を設けて構成しても良い。
【００８４】
図２に示すレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、その空間光変調器３０４を、入射された光ビームをデータに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子であるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）で構成することができる。この空間光変調器（ＤＭＤ）３０４は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力されたデータに基づいて、各空間光変調器３０４毎に制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。このデータは、各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。また、ミラー駆動制御部では、データ処理部で生成した制御信号に基づいて、空間光変調器３０４毎に各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。
【００８５】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４は、図５に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）６０上に、微小ミラー（マイクロミラー）６２が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー６２が設けられており、マイクロミラー６２の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー６２の反射率は９０％以上である。また、マイクロミラー６２の直下には、ヒンジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル６０が配置されており、全体はモノリシック（一体型）に構成されている。
【００８６】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４のＳＲＡＭセル６０にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー６２が、対角線を中心として空間光変調器（ＤＭＤ）３０４が配置された基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾けられる。図６（Ａ）は、マイクロミラー６２がオン状態である＋α度に傾いた状態を示し、図６（Ｂ）は、マイクロミラー６２がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、データ信号に応じて、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図６に示すように制御することによって、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に入射された光はそれぞれのマイクロミラー６２の傾き方向へ反射される。
【００８７】
なお、図６には、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の一部を拡大し、マイクロミラー６２が＋α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー６２のオンオフ制御は、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー６２により光ビームが反射される方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。
【００８８】
また、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４は、その短辺が副走査方向と所定角度θ（例えば、１°〜５°）を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図７（Ａ）は空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像（照射ビーム）５３の走査軌跡を示し、図７（Ｂ）は空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させた場合の照射ビーム５３の走査軌跡を示している。
【００８９】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４には、長辺方向にマイクロミラーが多数個（例えば、８００個）配列されたマイクロミラー列が、短辺方向に多数組（例えば、６００組）配列されているが、図７（Ｂ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる照射ビーム５３の走査軌跡（走査線）のピッチＰ２が、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ１より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の傾斜角は微小であるので、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００９０】
また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねてレーザ照射（多重露光）されることになる。このように、多重露光されることで、レーザ照射位置の微少量をコントロールすることができ、高精細なアニールを実現することができる。また、主走査方向に配列された複数のレーザ光源３００の間のつなぎ目を微少量のレーザ照射位置制御により段差無くつなぐことができる。
【００９１】
なお、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００９２】
このレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を利用することにより、基板１５０のａ−Ｓｉ膜に対して、微細な帯状の範囲に投射される光エネルギーの分布を、基板１５０の搬送方向前端側で強く、搬送方向後端側に行くのに従って弱くする等の調整を行い、ａ−Ｓｉ膜内の温度分布をより均一化し、膜厚深さ方向に対しほぼ一定の分布となるよう制御することも可能となる。
［レーザアニール装置の他の構成例］
次に、図１８に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【００９３】
この図１８に示すレーザ折り返し照射手段では、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用して構成する。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【００９４】
このファイバアレイ光源３００Ａは、図８（Ａ）に示すように、多数のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合され、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されてレーザ出射部６８が構成されている。なお、発光点を主走査方向に沿って複数列に配列することもできる。
【００９５】
光ファイバ３１の出射端部は、図８（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の光出射側には、光ファイバ３１の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板６３が配置されている。保護板６３は、光ファイバ３１の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ３１の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ３１の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板６３を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【００９６】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ３１の出射端を隙間無く１列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の２つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【００９７】
このような光ファイバは、例えば、図９に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ３０のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍのクラッド径が小さい光ファイバ３１を同軸的に結合することにより得ることができる。２本の光ファイバは、光ファイバ３１の入射端面が、マルチモード光ファイバ３０の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ３１のコア３１ａの径は、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの径と同じ大きさである。
【００９８】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ３０の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、照射ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ３１を、マルチモード光ファイバ３０の出射端部と称する場合がある。
【００９９】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【０１００】
レーザモジュール６４は、図１０に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードの半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。例えば、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【０１０１】
上記の合波レーザ光源は、例えば図１１及び図１２に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【０１０２】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【０１０３】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通して半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【０１０４】
なお、図１２においては、図の煩雑化を避けるために、複数の半導体レーザのうち半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【０１０５】
図１３は、このコリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向が半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１３の左右方向）と直交するように、発光点の配列方向に密接して配置されている。
【０１０６】
一方、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これら半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【０１０７】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【０１０８】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ２＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【０１０９】
このように構成されたファイバアレイ光源３００Ａでは、合波レーザ光源を構成する半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々が、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【０１１０】
このコリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【０１１１】
各レーザモジュールにおいて、例えば、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合（シングルモードレーザを使用する場合）には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、１００本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約１８Ｗ（＝１８０ｍＷ×１００）である。
【０１１２】
ファイバアレイ光源３００Ａのレーザ出射部６８には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができる。
【０１１３】
例えば、半導体レーザと光ファイバを１対１で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力３０ｍＷ（ミリワット）程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ（開口数）０．２のマルチモード光ファイバが使用されているので、約１８Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを８６４本（８×１０８）束ねなければならず、発光領域の面積は１３．５ｍｍ２（１ｍｍ×１３．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は１．３（ＭＷ（メガワット）／ｍ２）、光ファイバ１本当りの輝度は８（ＭＷ／ｍ２）である。
【０１１４】
これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ１００本で約１８Ｗの出力を得ることができ、レーザ出射部６８での発光領域の面積は０．３１２５ｍｍ２（０．０２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は５７．６（ＭＷ／ｍ２）となり、従来に比べ約４４倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ１本当りの輝度は２８８（ＭＷ／ｍ２）であり、従来に比べ約３６倍の高輝度化を図ることができる。
【０１１５】
次に、図１９に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１１６】
この図１９に示すレーザ折り返し照射手段では、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用して構成する。
【０１１７】
これと共に、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を無くして、ファイバアレイ光源３００Ａにおける各半導体レーザ毎に駆動制御するように構成して、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を設けたものと同様の作用を奏するようにされている。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１１８】
次に、図２０に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１１９】
この図２０に示すレーザ折り返し照射手段では、レーザビームを１往復（２回透過）するよう構成する。このため、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段における偏光ビームスプリッター３０８、λ／４波長板３１４及びミラー３１８を取り除き、その他は、図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１２０】
このように構成した図２０に示すレーザ折り返し照射手段は、１往復（２回透過）だけで十分にａ−Ｓｉ膜吸収させることができる、膜圧、レーザ光の波長等の条件下で使用するのに好適である。また、構成を簡素化して廉価に製造可能とできる。
【０１２１】
次に、図２１に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１２２】
この図２１に示すレーザ折り返し照射手段では、基板１５０におけるＳｉ膜厚が１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の薄い膜厚の場合に、ＧａＮ系半導体レーザの４０５ｎｍの光を用いてレーザアニールを行うように構成されている。このため、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段におけるレーザ光源３００をＧａＮ系半導体レーザ光源として構成する。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１２３】
このように構成した図２１に示すレーザ折り返し照射手段では、ＧａＮ系半導体レーザの４０５ｎｍの光が、膜厚が１０ｎｍ程度の薄いＳｉ膜を１回透過するときの吸収率が、図３に示すように２０％程度と低いものであっても、２往復（４回透過）させることにより、吸収率を８０％程度以上に向上させることができる。
【０１２４】
また、ＧａＮ系半導体レーザの発振上限のレーザ波長λは、λ≦４６０ｎｍである。さらに、レーザ波長λは、λ＞４００ｎｍとなり、紫外線域となると、光分解性が高くなる。このため、ミラーやレンズ等に付着している埃に、この紫外線域のレーザビームが照射されると、ミラーやレンズ等に付着している埃が光分解されて汚染された状態となる。よって、ＧａＮ系半導体レーザの波長λを、λ≧４００ｎｍとすれば、ミラーやレンズ等の汚染防止の効果が高い。
【０１２５】
次に、図２２に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１２６】
この図２２に示すレーザ折り返し照射手段では、ａ−Ｓｉ膜の表面側（第１回目のレーザビームを照射する側）から照射されてａ−Ｓｉ膜を透過したレーザビームを、これとは直交した直線偏光のレーザビームにして同一光路上を折り返しａ−Ｓｉ膜の裏側から照射するため、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段がａ−Ｓｉ膜を設けた基板１５０に一体に構成されたものを利用する。すなわち、この光学手段は、入射されたレーザビームが同一光路上を折り返すように反射されるようにする反射機能と、入射偏光に対して直交する偏光をつくる機能を合わせ持つように構成する。
【０１２７】
このため、光学手段を一体に構成した基板１５０Ａは、例えば、図２３に例示するように、ガラス基板３２０の上面にバッファ層３２２を形成しその上にａ−Ｓｉ層３２４を形成し、ガラス基板３２０の下面に反射膜３２６を形成して構成することができる。
【０１２８】
このバッファ層３２２は、λ／４板３１４の機能をもつように構成するもので、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）の膜をレーザ波長のλ／４の厚さに構成（すなわち、バッファ層３２２の厚さ×屈折率＝λ／４となるように構成）したものである。
【０１２９】
また、反射膜３２６は、Ａｇ（銀）の反射膜、又は多層膜（ＳｉＯ２とＴｉＯ２との多層反射膜）で構成する。
【０１３０】
また、光学手段を一体に構成した基板１５０Ａは、例えば図２４に例示するように、ガラス基板３２０の上面に、ＳｉＯ２とＴｉＯ２との多層反射膜である反射膜３２６を形成し、その上にバッファ層３２２を形成し、さらにその上にａ−Ｓｉ層３２４を形成して構成することができる。
【０１３１】
前述のように構成したλ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａと組み合わせて使用される、図２２に示すレーザ折り返し照射手段では、図２に示すレーザ折り返し照射手段と比較して、レンズ３１２、λ／４波長板３１４及びレンズ３１２が不要になるので、これらを省略した構成とする。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１３２】
また、このλ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａと組み合わせて使用される、図２２に示すレーザ折り返し照射手段では、バッファ層３２２がλ／４波長板３１４の機能を果たし、反射膜３２６がミラー３１６の機能を果たすので、図２に示すレーザ折り返し照射手段と同様の作用、効果を奏する。
【０１３３】
次に、図２５に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１３４】
この図２５に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図１８に示す、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用した構成と、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１３５】
次に、図２６に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１３６】
この図２６に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図１９に示す、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用した構成と、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を無くして、ファイバアレイ光源３００Ａにおける各半導体レーザ毎に駆動制御する構成と、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１３７】
次に、図２７に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１３８】
この図２７に示すレーザ折り返し照射手段では、前述した図２０に示す、レーザビームを１往復（２回透過）させるため、偏光ビームスプリッター３０８を取り除いた構成と、反射機能を備えた光学手段（λ／４板（四分の一波長板）機能を取り除いたもの）を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。すなわち、この図２７に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成では、図２０に示す構成からレンズ３１２とλ／４波長板３１４とを取り除いた構成と、図２３及び図２４における反射膜３２６を取り除いた構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。この図２７に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図２０に示すレーザ折り返し照射手段と同様の作用、効果を奏する。
【０１３９】
次に、図２８に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１４０】
この図２８に示すレーザ折り返し照射手段では、前述した図２１に示す、基板１５０におけるＳｉ膜厚が１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の薄い膜厚の場合に、ＧａＮ半導体レーザの４０５ｎｍの光を用いてレーザアニールを行う構成と、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１４１】
この図２８に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図２１に示すレーザ折り返し照射手段と同様の作用、効果を奏する。
［レーザアニール装置の動作］
次に、レーザアニール装置の動作について説明する。
【０１４２】
図１に示すように、このレーザアニール装置では、基板１５０（基板１５０Ａでも同様）を表面に吸着したステージ１５２が、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１５２がゲート１６０下を通過する際に、ゲート１６０に取り付けられた検知センサ１６４により基板１５０の先端が検出されると、これより露光開始位置が決定され、レーザ光源３００が駆動制御されて、レーザアニール処理が開始される。
【０１４３】
また、この際、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を備えるものでは、ミラー駆動制御部から制御信号を空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に送信して空間光変調器（ＤＭＤ）３０４のマイクロミラーの各々がオンオフ制御され、レーザ光源３００から空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に照射されたレーザ光を、マイクロミラーがオン状態のときに反射することにより、基板１５０のａ−Ｓｉ膜面上に結像してレーザアニール処理される。このようにして、レーザ光源３００から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、基板１５０が空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の使用画素数と略同数の画素単位（照射エリア）でレーザ照射されアニールされる。
【０１４４】
このレーザアニール装置では、基板１５０がステージ１５２と共に一定速度で移動されることにより、基板１５０がステージ移動方向と反対の方向に副走査され、スキャナ１６２により、図１５及び図１６に例示するように帯状の照射済み領域が形成される。
【０１４５】
また、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を備えるものでは、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、例えば、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４が、主走査方向にマイクロミラーを８００個配列したマイクロミラー列を、副走査方向に６００組配列した構成とされている場合に、コントローラにより一部のマイクロミラー列（例えば、８００個×１０列）だけが駆動されるように制御しても良い。
【０１４６】
ここで、図１４（Ａ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図１４（Ｂ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。
【０１４７】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４のデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して１ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで１ライン当りの変調速度が速くなる。
【０１４８】
このレーザアニール装置では、スキャナ１６２による基板１５０の副走査が終了し、検知センサ１６４で基板１５０の後端が検出されると、ステージ１５２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【０１４９】
このレーザアニール装置は、エキシマレーザに代えて高品位な半導体レーザをレーザ光源に用いているので、以下の１）〜６）の利点がある。
【０１５０】
１）光出力が安定化し、結晶粒径サイズの揃ったポリシリコン膜を再現性良く作製することができる。
【０１５１】
２）半導体レーザは、全部固体の半導体レーザであるため、数万時間に亘り駆動可能で高信頼性を有している。また、半導体レーザは、光出射端面の破損が生じ難く、高信頼性であり、高ピークパワーを実現できる。
【０１５２】
３）ガスレーザであるエキシマレーザを用いる場合と比べると、小型化が可能で、メンテナンスが非常に簡便になる。また、エネルギー効率も１０％〜２０％と高い。
【０１５３】
４）半導体レーザは、基本的にＣＷ（連続）駆動が可能なレーザであるため、パルス駆動する場合にも、アモルファスシリコンの吸収量、発熱量に応じて繰り返し周波数、パルス幅（ｄｕｔｙ）を自由に設定することができる。例えば、数Ｈｚ〜数ＭＨｚまでの任意の繰り返し動作を実現でき、数ｐｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの任意のパルス幅を実現できる。特に、繰り返し周波数を数１０ＭＨｚ帯程度までとすることができ、ＣＷ駆動する場合と同様に、連続的な結晶粒界を形成することができる。また、繰り返し周波数を大きくすることができるので、高速アニールが可能である。
【０１５４】
５）半導体レーザをＣＷ駆動して連続したレーザ光でアニール面上を所定方向に走査することができるので、結晶成長の方向が制御され、連続的な結晶粒界を形成することができ、高キャリア移動度のポリシリコン膜を形成することが可能になる。
【０１５５】
また、このレーザアニール装置で、レーザ光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源３００Ａを用いた場合には、以下の１）〜３）の利点がある。
【０１５６】
１）一般に、レーザアニール装置では、アニール面（露光面）において４００ｍＪ／ｃｍ２〜７００ｍＪ／ｃｍ２の範囲の高い光密度が必要であるが、本実施の形態では、アレイ化するファイバ本数、合波するレーザビームの本数を増加することで、容易にマルチビームでの高出力化、高光密度化を図ることができる。例えば、１本の合波レーザ光源のファイバ出力を１８０ｍＷとすると、５５６本をバンドルすれば１００Ｗの高出力を安定に得ることができる。加えて、ビーム品位も安定しており、高パワー密度である。従って、将来の低温ポリシリコンの成膜面積の大面積化やハイスループット化へも対応することができる。
【０１５７】
２）光ファイバの出射端部はコネクタ等を用いて交換可能に取り付けることが可能であり、メンテナンスが容易になる。
【０１５８】
３）小型の半導体レーザを合波した小型の合波モジュールなので、光源部をエキシマレーザより非常に小型化することができる。
【０１５９】
さらに、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくした場合には、発光部径がより小さくなり、ファイバアレイ光源３００Ａの高輝度化が図られる。これにより、より深い焦点深度を備えたレーザアニール装置を実現することができる。例えば、ビーム径１μｍ以下、解像度０．１μｍ以下の超高解像度でのアニールの場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細なアニールが可能となる。
【０１６０】
なお、前述したレーザアニール装置におけるレーザ光源は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧＳＨＧレーザを利用して構成しても良い。
【０１６１】
また、前述したレーザアニール装置におけるレーザ光源は、Ｐｒ３＋が添加された固体レーザ結晶を利用した固体レーザで波長４６５〜４９５ｎｍのレーザビームを発振させるもの、又は波長５１５〜５５５ｎｍの緑色領域のレーザビームを発振させるもので構成しても良い。
【０１６２】
また、Ｎｄ３＋がドープされたＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ２）、ｌｉＹＦ４、ＹＶＯ４等の固体レーザ結晶を、半導体レーザダイオードによって励起させる半導体レーザ励起Ｎｄ系固体レーザのＳＨ光（第２高調波）を発生させるＳＨＧ（第２高調波発生）固体レーザで構成しても良い。
【０１６３】
さらに、このレーザアニール装置におけるレーザ光源は、Ａｒレーザ（気体レーザ）における波長４８８ｎｍのレーザ光又は波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用いても良い。さらに、マルチラインＡｒレーザを用いても良い。
【０１６４】
【発明の効果】
本発明のレーザアニール方法及び装置によれば、レーザエネルギーを無駄なく利用して大結晶粒を形成可能とすると共に、薄膜結晶化を可能とするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における各レーザの波長に対するアモルファスシリコンの吸収特性を示す線図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における５３２ｎｍの波長のレーザビームにおける２００ｎｍの膜厚に相当する光エネルギーの吸収量を例示するアモルファスシリコンの吸収特性を示す線図、（Ｂ）は、５３２ｎｍの波長のレーザビームが５０ｎｍ膜厚のなかで４回折り返されるときの吸収状態を例示する線図、（Ｃ）は、５３２ｎｍの波長のレーザビームが５０ｎｍ膜厚のなかで４回折り返されたときに膜厚深さ方向に対しほぼ均一に吸収された分布状態となることを示す線図、（Ｄ）は、５３２ｎｍの波長のレーザビームが５０ｎｍ膜厚のなかで４回折り返されたときの、膜内の厚さ方向に対する温度分布状態を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の構成を示す部分拡大図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、走査ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図である。
【図８】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。
【図９】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図１０】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図１１】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図１２】図１１に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１３】図１２に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図である。
【図１５】スキャナによる１回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図１６】（Ａ）及び（Ｂ）はスキャナによる複数回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図１７】（Ａ）及び（Ｂ）は、低温ポリシリコンＴＦＴ形成プロセスを説明するための図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ファイバアレイ光源を用いたアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図１９】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ファイバアレイ光源を用い、ＤＭＤを無くしたアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２０】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、レーザビームを一往復させるアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２１】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ＧａＮ半導体レーザの４０５ｎｍの光ビームを出射する光源を用いたアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２２】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２３】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置で利用する、光学手段を一体に構成した基板を例示する要部拡大断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置で利用する、光学手段を一体に構成した基板の他の構成例を示す要部拡大断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ファイバアレイ光源を利用して光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２６】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ＤＭＤ無しで、ファイバアレイ光源を利用して光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、レーザビームを一往復させて光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ＧａＮ半導体レーザの４０５ｎｍの光ビームを出射する光源を利用して光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２９】従来のエキシマ・レーザアニールにより部分溶融された状態を示す説明図である。
【図３０】従来のエキシマ・レーザアニールにより、残存ａ−Ｓｉ相を島状にして結晶粒が成長する状態を示す説明図である。
【図３１】従来のエキシマ・レーザアニールにより、ａ−Ｓｉ相を完全溶融してから過冷却状態となり、微小結晶粒で全体が埋め尽くされる状態を示す説明図である。
【図３２】従来のエキシマ・レーザアニールにおけるレーザ強度と結晶粒径の関係を定性的に示す説明図である。
【図３３】従来の結晶成長を横方向に制御するアニール法において、膜厚と反対側からの結晶粒との衝突により結晶粒界の大きさが制限されてしまう状態を示す説明図である。
【図３４】従来の結晶成長を横方向に制御するアニール法において、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光で深度方向に対する温度勾配を平坦とし、固液界面を垂直に立たせて結晶粒界を横方向へ大きく成長させる状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１５０ 基板
１５０Ａ 基板
１５２ ステージ
１６２ スキャナ
３００ レーザ光源
３００Ａ ファイバアレイ光源
３０２ ビーム成形光学系
３０２Ａ ビーム成形光学系
３０４ 空間光変調器
３０６ ミラー
３０８ 偏光ビームスプリッター
３１０ レンズ
３１２ レンズ
３１４ λ／４波長板
３１６ ミラー
３１８ ミラー
３２０ ガラス基板
３２２ バッファ層
３２４ ａ−Ｓｉ層
３２６ 反射膜
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームを折り返し照射することにより対象物に対し複数回伝搬透過させてアニール処理を行う、レーザアニール方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）ディスプレイ等のフラットパネル・ディスプレイの小型軽量化、低コスト化の観点から、画素表示ゲート用の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）だけでなく、駆動回路や信号処理回路、画像処理回路などをＬＣＤのガラス基板上に直接形成するシステム・オン・ガラス（ＳＯＧ）−ＴＦＴが注目されている。
【０００３】
このような画素表示ゲート用のＴＦＴには、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が使用されてきたが、ＳＯＧ−ＴＦＴにはキャリア移動度の大きいポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が必要である。しかしながら、ガラスの変形温度は６００°Ｃと低いことから、ポリシリコン膜の形成に６００℃以上の高温を利用した結晶成長技術を使用することができない。このため、ポリシリコン膜の形成には、アモルファスシリコン膜を低温（１００〜３００°Ｃ）で形成した後、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザによるパルス照射でアモルファスシリコン膜を熱溶融し、冷却過程で結晶化させるエキシマ・レーザアニール（ＥＬＡ）が用いられている。このＥＬＡを用いることにより、ガラス基板に熱的損傷を与えずにポリシリコン膜を形成することができる。
【０００４】
従来のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）をポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）化させるレーザニール処理は、ＸｅＣｌエキシマレーザの波長３０８ｎｍ光を、ａ−Ｓｉ膜に対し片側から一方向のみ照射して行われている。このＸｅＣｌエキシマレーザの波長３０８ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数は１×１０６ｃｍ−１と大きいので、入力エネルギーは表面の極近傍（＜１ｎｍ）で吸収される。
【０００５】
このため、エキシマ・レーザアニールでは、レーザエネルギーの吸収および熱伝搬によって溶融したＳｉ層では深度方向に大きな温度勾配が生じ、例えば図２９に示す部分溶融の状態となることがある。
【０００６】
この場合には、熱が主に基板方向に拡散し、溶融しないで残存したａ−Ｓｉが８００℃で固相間で結晶相へ相転移を起すため、溶融Ｓｉ相とａ−Ｓｉ相の境界部に結品核が発生する。発生した結晶核は、それを起点として、温度勾配に沿って図の上向き方向に結晶成長する。隣接結晶核から成長した結晶粒とぶつかり、結晶粒が小さく結晶粒界が多い状態で結晶成長が止まる。
【０００７】
ここで、ＴＦＴの高性能化には、高い電荷移動度が要求される。電子にとって結晶粒界は移動の障壁になるため、電荷移動度を上げるためには、結晶粒界の少ないすなわち大きい結晶粒の生成が重要である。
【０００８】
そこで、エキシマ・レーザアニールでは、図３０に示すように、エキシマレーザの出力を上げ残存ａ−Ｓｉ相を島状にすると、発生する結晶核の数が少なくなり一つひとつの結晶粒が大きく成長する状態となる。
【０００９】
またエキシマ・レーザアニールでは、図３１に示すように、さらにエキシマレーザの出力を上げａ−Ｓｉ相を完全溶融してしまうと、融点以下になっても結晶化しない過冷却状態となる。そして温度が下がると一転して結晶核が一斉に発生し微小結晶粒で全体が埋め尽くされる状態となる。
【００１０】
上述したレーザ強度と結晶粒径の関係を定性的に表すと図３２のように、なる。レーザ強度を上げていくと、それにつれ部分溶融（ａ）の状態から残存ａ−Ｓｉ相を島状にする溶融状態（ｂ）となるように結晶粒径は増大するが、ａ−Ｓｉが完全溶融するレーザ強度を超えた途端に完全溶融状態（ｃ）となり、結晶粒径は一気に微細化する。一方エキシマレーザの出力安定度は悪く通常１０〜１５％程度の強度揺らぎ（図３２にハッチングで例示）が避けられない。このため実効的にはエキシマレーザアニールで得られる結晶粒径は現状０．３μｍ程度に止まる。これは、結晶成長方向を鉛直方向（図２９、図３０に向かって鉛直方向）にしたことの限界でもある。
【００１１】
こうした問題に対し、ａ−Ｓｉを完全溶融させ過冷却状態を生じさせないようにゆっくりと基板を走査し、結晶成長を横方向に制御するアニール法が考案されている。
【００１２】
このアニール法では、図３３に示すようにレーザが照射されないａ−Ｓｉ層から結晶核が発生するが、温度勾配のためａ−Ｓｉと溶融層境界の底部の結晶核から斜め上方に結晶成長が進む。これは深度方向に温度勾配があるため、固液界面が斜め方向にねてしまい斜めの固液界面に垂直に結晶成長が進むと考えられる。
【００１３】
いずれにしても膜厚と反対側からの結晶粒との衝突により、結晶粒界の大きさが制限されてしまう。これは溶融層深度方向の温度勾配が大きいことが本質的原因である。
【００１４】
そこで、エキシマレーザ横方向結晶成長の問題点を解決するものとして、レーザ出力安定度の高い（１％）高出力Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニールが考案されている。
【００１５】
Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数は、５×１０４ｃｍ−１のため入力エネルギーの９０％を吸収するのに４６０ｎｍの膜厚を必要とする。このＮｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光は、エキシマレーザの波長３０８ｎｍ光に比べて吸収係数が１．５桁ほど少ないため、図３４に示すように、同じ膜厚で比較すれば５３２ｎｍのほうが深度方向に対する温度勾配は平坦となり、固液界面は垂直に立ちやすい。このため横方向への成長距離が長くとれ大きな結晶粒界が生成される。
【００１６】
また、エキシマレーザ横方向結晶成長の問題点を解決するものとして、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ２絶縁薄膜／Ｃｒ光吸収薄膜／基板の４層構造の試料をエキシマレーザ光（３０８ｎｍ）で両面照射するレーザアニール方法が開示されている。これは裏面からのレーザエネルギーをＣｒの光吸収薄膜層で吸収しＳｉＯ２層下熱浴を発生させ、表面側からのレーザエネルギーにより生じたＳｉ層の熱を基板方向へ流出しにくくし、Ｓｉ膜内に蓄えられた熱エネルギーの流出速度を下げるとともにＳｉ膜面方向へ伝搬させ、横方向への結晶成長を制御するものである（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１７】
また、固体レーザによる両面照射のレーザアニール装置として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）を利用したものが開示されている。
【００１８】
この両面照射のレーザアニール装置では、別々のレーザ光ビームが表裏両面からＳｉ膜を１回通過するものである。すなわち、Ｓｉ膜の同一箇所を、表面側から通過させると共に、裏面側からも通過させることによって、アニール処理するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【００１９】
【非特許文献１】
松村 正清 著 表面科学２１巻 第５号 ｐｐ２７８−２８７、２０００
２０００年３月２８日受理
【特許文献１】
特開２００１−１４４０２７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような、ＸｅＣｌエキシマレーザを利用したレーザアニール法では、光出力が不安定で出力強度が±１０％の範囲で変動する。このため、ＥＬＡでは、ポリシリコン膜中の結晶粒径サイズがばらつき、再現性が悪い。また、ＸｅＣｌエキシマレーザは、パルス駆動の繰り返し周波数が３００Ｈｚと低いので、ＥＬＡでは、連続的な結晶粒界の形成が困難で、高いキャリア移動度が得られないし、大面積を高速にアニールできない。さらに、レーザチューブやレーザガスの寿命が１×１０７ショット程度と短くメンテナンスコストが高い、装置が大型化し、エネルギー効率が３％と低い、という固有の問題もある。
【００２１】
ところでＴＦＴの性能向上には、結晶粒径の増大とともに結晶膜の薄層化（５０ｎｍ以下）も重要である。
【００２２】
しかし、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成が可能なＮｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニール法では、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数が小さいため固液界面は垂直方向に立つものの、ａ−Ｓｉ膜を溶融させるのに必要なエネルギー吸収を確保するためには１５０ｎｍ以上の膜厚が必要となる。
【００２３】
よって、レーザアニール法では、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成させることと、薄膜結晶化こととが、ａ−Ｓｉの光物性に起因する相反事項となっており、これらの相反する要求を両立することが困難である。
【００２４】
さらに、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニール法では、入力エネルギーの９０％を吸収するのに４６０ｎｍの膜厚を必要とするから、ａ−Ｓｉ膜を薄くすると、それだけ入力エネルギーの無駄が増大する傾向にある。
【００２５】
本発明は上述の事実を考慮し、レーザエネルギーを無駄なく利用して大結晶粒を形成可能とすると共に、薄膜結晶化を可能としたレーザアニール方法及び装置を新たに提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のレーザアニール方法は、レーザ光源から出射されたレーザビームを、アニールの対象物内に透過させる光路上で折り返し照射することにより、対象物にレーザビームを複数回透過させて、対象物内の透過方向に生じるエネルギー吸収分布を一定に保つようにすることを特徴とする。
【００２７】
上述のレーザアニール方法によれば、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が複数回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００２８】
本発明の請求項２に記載のレーザアニール装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームをアニールの対象物内に透過させる光路と、光路上における、レーザ光源と、対象物との間に配置されて、レーザ光源から出射されたレーザビームを透過させる偏光ビームスプリッターと、対象物を透過したレーザビームを、対象物内に透過させる光路上で折り返し照射するように反射させるミラーと、対象物と、ミラーとの間の光路上に配置されたλ／４板と、対象物を透過したレーザビームである入射偏光がλ／４板を通り、ミラーに反射されて再びλ／４板を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから、対象物内を再度透過してから偏光ビームスプリッターで反射されたレーザビームを、対象物内に透過させる光路上に折り返すように反射させるミラーと、を有することを特徴とする。
【００２９】
上述のように構成することにより、レーザ光源から出射されたレーザビームが、対象物を第１回目に透過し、λ／４板を通りミラーに反射されて再びλ／４板を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから対象物内を第２回目に透過してから、偏光ビームスプリッターで反射し、ミラーで反射されて対象物内に透過させる光路上に折り返され、対象物内を第３回目に透過してから、λ／４板を通りミラーに反射されて再びλ／４板を通って入射偏光と同じ偏光とされてから対象物内を第４回目に透過する。
【００３０】
よって、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が４回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００３１】
本発明の請求項３に記載のレーザアニール装置は、アニールさせる膜と、アニールさせる膜を透過したレーザビームを、アニールさせる膜内に透過させる光路上で折り返すように反射させる反射膜と、アニールさせる膜と反射膜との間に配置されたλ／４板の機能を有するバッファ層とを有する対象物をアニール処理の対象とし、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームを対象物に設けたアニールさせる膜に透過させる光路と、光路上における、レーザ光源と対象物との間に配置されて、レーザ光源から出射されたレーザビームをアニールさせる膜に透過させる偏光ビームスプリッターと、アニールさせる膜を透過したレーザビームである入射偏光がλ／４板の機能を有するバッファ層を通り、反射膜に反射されて再びλ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから、アニールさせる膜内を再度透過してから偏光ビームスプリッターで反射されたレーザビームを、対象物内に透過させる光路上に折り返すように反射させるミラーと、を有することを特徴とする。
【００３２】
上述のように構成することにより、レーザ光源から出射されたレーザビームが、対象物を第１回目に透過し、λ／４板の機能を有するバッファ層を通り反射膜に反射されて再びλ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから対象物内を第２回目に透過してから、偏光ビームスプリッターで反射し、ミラーで反射されて対象物内に透過させる光路上に折り返され、対象物内を第３回目に透過してから、λ／４板の機能を有するバッファ層を通り反射膜に反射されて再びλ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光と同じ偏光とされてから対象物内を第４回目に透過する。
【００３３】
よって、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が４回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００３４】
本発明の請求項４に記載のレーザアニール装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームをアニールの対象物内に透過させる光路と、対象物を透過したレーザビームを、対象物内に透過させる光路上で折り返し照射するように反射させるミラーと、を有することを特徴とする。
【００３５】
上述のように構成することにより、レーザ光源から出射されたレーザビームが、対象物を第１回目に透過し、ミラーに反射されて対象物内を第２回目に透過する。
【００３６】
よって、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が２回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを有効に利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００３７】
請求項５に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載のレーザアニール装置において、アニールの対象物が、膜厚２５〜２３０ｎｍに構成されたアモルファスシリコンであり、レーザ光源が、Ｎｄ系固体レーザを発振源とするレーザの第２高調波の光ビームを発振するものであることを特徴とする。
【００３８】
上述のように構成することにより、アニールの対象物をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とした場合に、Ｎｄ系固体レーザをレーザ光源とすることで高い出力安定性が得られると同時に、波長５００ｎｍ前後のレーザビームに対するアモルファスシリコンにおける吸収係数が比較的小さいため、アモルファスシリコンの膜厚を略２５〜２３０ｎｍに構成したときには、レーザビームが対象物であるアモルファスシリコン層に対して同一光路上を折り返し照射することで、アモルファスシリコン層の厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとし、固液界面を垂直に立ちやすくして横方向への成長距離が長くとれ大きな結晶粒界が生成されるようにできる。よって、キャリア移動度の大きいポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成でき、ＳＯＧ−ＴＦＴの高性能化を図ることができる。
【００３９】
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至請求項５の何れかに記載のレーザアニール装置において、レーザ光源が、ＧａＮ系半導体レーザによる４００ｎｍから４６０ｎｍの波長の光ビームを出射するものであることを特徴とする。
【００４０】
上述のように構成することにより、レーザ波長λが、λ＜４００ｎｍとなって紫外線域となると、光分解性が高くなり、ミラーやレンズ等に付着している埃に照射された際に、ミラーやレンズ等に付着している埃を光分解して汚染させる虞があるが、ＧａＮ系半導体レーザの波長λを、λ≧４００ｎｍとして、ミラーやレンズ等の汚染防止をすることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの発振上限のレーザ波長λは、λ≦４６０ｎｍである。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明のレーザアニール方法及び装置を低温ポリシリコンＴＦＴ形成に適用した実施の形態について詳細に説明する。
【００４２】
本実施の形態に係わるレーザアニール装置が用いられる低温ポリシリコンＴＦＴ形成プロセスでは、まず、図１７（Ａ）に示すように、ガラス製又はプラスチック製の透明な基板１５０上に、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）絶縁膜１９０を堆積し、ＳｉＯｘ絶縁膜１９０上にアモルファスシリコン膜１９２を堆積する。
【００４３】
このアモルファスシリコン膜１９２をレーザアニールにより多結晶化してポリシリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、例えば、図１７（Ｂ）に示すように、透明な基板１５０上に、ＳｉＯｘ絶縁膜１９０を介して、ポリシリコンゲート１９４、ポリシリコンソース／ポリシリコンドレイン１９６、ゲート電極１９８、ソース／ドレイン電極２００、及び層間絶縁膜２０２を備えたポリシリコンＴＦＴを形成する。
［レーザアニール装置の構成］
本実施の形態に係るレーザアニール装置は、図１に示すように、対象物としてのアモルファスシリコン膜が堆積された透明な基板１５０を表面に吸着して保持する平板状のステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された厚い板状の設置台１５６の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド１５８が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、このレーザアニール装置には、ステージ１５２をガイド１５８に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【００４４】
設置台１５６の中央部には、ステージ１５２の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート１６０が設けられている。コ字状のゲート１６０の各端部は、それぞれ設置台１５６の両側面に固定されている。このゲート１６０を挟んで一方の側にはスキャナ１６２が設けられ、他方の側には透明な基板１５０の先端及び後端を検知する複数（例えば、２個）の検知センサ１６４が設けられている。スキャナ１６２及び検知センサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２及び検知センサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００４５】
このレーザアニール装置では、ａ−Ｓｉ膜内に複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法を実施可能とするため、スキャナ１６２からステージ１５２の裏側にかけて、図２に示すレーザ折り返し照射手段が構成されている。
【００４６】
このレーザ折り返し照射手段では、レーザ光源３００としてＮｄ系固体レーザを発振源とするレーザ光の第２高調波を用いる。また、レーザ光源３００には、図示しないが第３高調波、第４高調波に対する波長変調器を設けても良い。
【００４７】
このようにレーザ光源３００としてＮｄ系固体レーザを発振源とするレーザ光の第２高調波を用いるのは、次の理由による。
【００４８】
まず、レーザ光源３００から対象物としての基板１５０へ投射された光エネルギーがａ−Ｓｉ層で吸収される様子を説明する。いまａ−Ｓｉ層内部の薄層Δｄを考え、このΔｄで吸収されるエネルギー量を考える。入力エネルギーをＰ０とすると深さｄまでで吸収されるエネルギーはＰ０ｅｘｐ（−αｄ）である。また深さｄ＋Δｄまでで吸収されるエネルギーはＰ０ｅｘｐ（−α（ｄ＋Δｄ））である。したがってΔｄの層厚で吸収されるエネルギーはＰ０｛ｅｘｐ（−αｄ）−ｅｘｐ（−α（ｄ＋Δｄ））｝であるから、次式が成立する。
【００４９】
【数１】
【００５０】
ここで、図３は５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉ膜内でのエネルギー吸収の様子を示している。表面から吸収が起こり膜内で指数開数的に吸収が少なくなりながら、５００ｎｍの膜厚で入力エネルギーＰ０を全て吸収し終わる。図中のＸ軸、Ｙ軸、指数関数曲線で囲まれた面積は入力エネルギーＰ０に対応する。エネルギー吸収が図３のように起こるため、膜内の温度もほぼ図３と同様の分布を持つこととなる。
【００５１】
このため固液界面も温度分布を反映し、ａ−Ｓｉ膜面に対し垂直に近くなる（前述した図３に示す如くになる）。このため結晶成長は膜面方向に進むので膜厚に制限されない。
【００５２】
しかし５３２ｎｍのレーザ光の吸収係数は５×１０４ｃｍ−１であるから、５０ｎｍの膜厚では入力エネルギーの約２２％が吸収されるだけとなり、結晶化に必要なエネルギーをａ−Ｓｉ層へ投入するためにはそれだけ入力エネルギーを大きくする必要が生じる。このため本発明は５０ｎｍ程度の薄層で５３２ｎｍが十分に吸収され、入力エネルギーを無駄なく利用して、かつ膜厚に制限されない横方向結晶成長を実現し、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成と薄膜結晶化とを同時に実現するため、５３２ｎｍのレーザ光が、Ｓｉ膜内を複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法を適用することで、膜内の膜厚方向に生じるエネルギー吸収分布を一定に保つものである。
【００５３】
次に、膜内を複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法における、吸収係数α（λ）、膜厚ｄ及び折り返し数ｎとの関係について説明する。
【００５４】
ここで、入力パワーＰ０が、吸収係数α（λ）の膜厚ｄを透過するときのパワーＰは、Ｐ＝Ｐ０ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）である。よって、膜厚ｄで吸収されるパワーＰｄは、Ｐｄ＝Ｐ０（１−ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）である。
【００５５】
したがって吸収率ηａｂｓはηａｂｓ＝１−ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）…▲１▼である。
【００５６】
また、膜厚内に入力された光エネルギーの実効的な吸収領域が存在することを、ηａｂｓ＝０．９９…▲２▼で規定する。さらに入力された光エネルギーを有効利用できることを、ηａｂｓ＝０．４…▲３▼で規定する。
【００５７】
▲１▼、▲２▼よりｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）＝０．０１だからα（λ）・ｄ〜４．６…▲４▼を得る。
【００５８】
また▲２▼、▲３▼よりｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）＝０．６だからα（λ）・ｄ〜０．５…▲５▼を得る。
【００５９】
よって▲４▼▲５▼より、エネルギーロスが許容範囲にあり、かつ両面照射の効果が有効に生じる範囲は、０．５≦α（λ）・ｄ≦４．６…▲６▼となる。
【００６０】
ここで、折り返し照射の有効性が顕著にでるのは、「行き」「帰り」の往復パスが形成される場合である。したがって折り返し数をｎとすると▲６▼は
０．５／２ｎ≦α（λ）・ｄ≦４．６／２ｎ…▲７▼となる。
【００６１】
よって▲７▼で吸収係数α（λ）と膜厚ｄおよび折り返し数ｎの関係が規定される。
【００６２】
例えば、５３２ｎｍのレーザ光を、ａ−Ｓｉ膜内に複数回透過するように折り返し照射するレーザアニール方法について見ると、▲７▼は以下の通りである。
【００６３】
０．５／２ｎ≦α（５３２ｎｍ）・ｄ≦４．６／２ｎ ▲７▼
ｄ：膜厚 実際に照射するａ−Ｓｉの厚さ
α（５３２ｎｍ）：ａ−Ｓｉと波長に依存する係数
▲７▼式を満たす整数ｎは、
α（５３２ｎｍ）＝５×１０４ｃｍ−１
ｄ＝５０ｎｍ
０．５≦２ｎα（５３２ｎｍ）ｄ≦４．６
０．５≦０．５ｎ≦４．６
ｎ＝１．２．．．９
となる。
【００６４】
次に、レーザアニール処理の一例として、アニールの対象物をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とし、その膜厚を２５ｎｍ〜２３０ｎｍとし、レーザ光源がＮｄ系固体レーザを発振源とするレーザの第２高調波の光ビームを発振するものとされ、レーザビームを２回折り返し照射（折り返し数ｎ）する場合について説明する。
【００６５】
この場合には、Ｎｄ系固体レーザをレーザ光源とすることで高い出力安定性が得られると同時に、波長５００ｎｍ前後のレーザビームに対するアモルファスシリコンにおける吸収係数が比較的小さいため、アニールの対象物であるアモルファスシリコンの膜厚を略２５ｎｍ〜２３０ｎｍに構成したときには、レーザビームが対象物であるアモルファスシリコン層に対して同一光路上を折り返し照射することで、アモルファスシリコン層の厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとし、固液界面を垂直に立ちやすくして横方向への成長距離が長くとれ大きな結晶粒界が生成されるようにできる。よって、キャリア移動度の大きいポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成でき、ＳＯＧ−ＴＦＴの高性能化を図ることができる。
【００６６】
ここで、アニールの対象物であるアモルファスシリコンは、その膜厚を略２５ｎｍ〜２３０ｎｍとすることの根拠は、以下の通りである。
【００６７】
前述した、有効に折り返し照射が行える条件式
０．５／２ｎ≦α（５３２ｎｍ）・ｄ≦４．６／２ｎ ▲７▼
に、折り返し数ｎ＝２、α（５３２ｎｍ）＝５×１０４ｃｍ−１の数値を代入して、膜厚ｄについての不等式として整理すると、２５ｎｍ≦ｄ≦２３０ｎｍとなる。よって、２回折り返し照射が有効なアモルファスシリコンの膜厚は、略２５ｎｍ〜２３０ｎｍとなる。
【００６８】
図２において、レーザ光源にＮｄ系固体レーザとしてＮｄ：ＹＶＯ４レーザを使用した複数のＮｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源を用いた場合を考える。このレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、複数のＮｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームを、各対応するビーム成形光学系３０２及び空間光変調器３０４とにより所望のビーム強度の光ビームに成形するよう構成する。
【００６９】
さらに、レーザ折り返し照射手段には、所望のビーム強度の光ビームに成形された各波長５３２ｎｍのレーザ光を、それぞれ全てのレーザ光源３００からの波長５３２ｎｍのレーザ光に対応して構成したミラー３０６により反射し、偏光ビームスプリッター３０８を透過させて、レンズ３１０（シリンドリカルレンズ）により、対象物としての基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に投射する光路が構成されている。
【００７０】
このように対象物としての基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に投射された光エネルギーはａ−Ｓｉ膜により一部吸収され、一部は光ビームとして透過する。
【００７１】
このレーザ折り返し照射手段には、対象物としての基板１５０の裏側に、透過した光ビームをレンズ３１２（シリンドリカルレンズ）により成形し、λ／４波長板３１４を透過し円偏光の光ビームとされてからミラー３１６により反射され、再びλ／４波長板３１４を透過し、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームとは直交した直線偏光の光ビームとなり、再びレンズ３１２により対象物としての基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面より第２回目の投射をさせる光路が構成されている。
【００７２】
このように、基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面から投射された光エネルギーは、再度一部がａ−Ｓｉ膜により吸収され、一部は光ビームとして透過する。
【００７３】
このレーザ折り返し照射手段には、ａ−Ｓｉ膜を透過した、直交した直線偏光の光ビームをレンズ３１０に通してから偏光ビームスプリッター３０８で反射し、さらにミラー３１８で反射し、再び偏光ビームスプリッター３０８で反射させて、再度レンズ３１０により、基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に第３回目の投射をする光路が構成されている。
【００７４】
このように基板１５０上のａ−Ｓｉ膜に第３回目の投射がされた光エネルギーはａ−Ｓｉ膜により一部吸収され、一部は光ビームとして透過する。
【００７５】
そして、第３回目の投射で透過した光ビームは、基板１５０の裏側に構成された光路における、レンズ３１２により成形され、λ／４波長板３１４を透過し円偏光の光ビームとされてからミラー３１６により反射され、再びλ／４波長板３１４を透過し、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームと同一偏光方向の光ビームとなり、再びレンズ３１２により基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面より第４回目の投射がされる。
【００７６】
このように、基板１５０のａ−Ｓｉ膜の裏面から第４回目に投射された光エネルギーは、再度一部がａ−Ｓｉ膜により吸収され、一部は光ビームとして透過し、レンズ３１０に通してから、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＳＨＧレーザ光源３００でそれぞれ発振された波長５３２ｎｍ（第２高調波）の光ビームと同一偏光方向の光ビームとして、偏光ビームスプリッター４を透過する。
【００７７】
上述のような過程を経ることで、５３２ｎｍ光ビームはａ−Ｓｉ膜を２往復（４回透過）することとなり５０ｎｍの膜厚において、２００ｎｍの膜厚に相当する光エネルギーの吸収を実現できる。
【００７８】
すなわち、図４（Ａ）にハッチングで示すように、２００ｎｍの膜厚で吸収する光エネルギーに相当するエネルギーを吸収することとなり、入力エネルギーの約６６％に高めることができる。
【００７９】
さらに、図４（Ｂ）に示すように、光エネルギーは、５０ｎｍ膜厚のなかで４つに折り返される（４回透過される）ため、吸収した入力エネルギーが、図４（Ｃ）に示すように、５０ｎｍ膜厚内で、膜厚深さ方向に対しほぼ均一に吸収された分布状態となる。
【００８０】
この場合のａ−Ｓｉ膜内の温度分布は、この均一な吸収エネルギー分布に追随し、図４（Ｄ）に示すように、膜厚深さ方向に対しほぼ一定の分布となる。
【００８１】
これにより入力エネルギーの無駄を少なくし、５３２ｎｍ光ビームを一回透過させたワンパスの場合よりも、さらに膜厚深さ方向（深度方向）に対する均一な温度分布が実現される。この結果、５０ｎｍ程度の比較的薄い膜厚で入力エネルギーを無駄なく利用して、かつ膜厚の薄さに制限されない横方向結晶成長を実現でき、大結晶粒形成に有効な固液界面の垂直形成と薄膜結晶化の相反する要求を両立することができる。
【００８２】
すなわち、レーザビームが対象物を透過する際にエネルギーが吸収される操作が複数回繰り返されるので、レーザビームの入力エネルギーを無駄なく利用可能である。また、レーザビームが対象物に対して同一光路上を折り返し照射されるので、アニールの対象物における厚さ方向に生じるエネルギー吸収分布を一定にして固液界面を光路に沿った平坦なものとすることによって、横方向結晶成長を実現して大結晶粒の形成を可能とする。
【００８３】
なお、上述したレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、複数のレーザ光源３００に各々対応した、各光学系３０２及び各空間光変調器（ＤＭＤ）３０４と、複数のレーザ光源３００等の全体に対応したミラー３０６、偏光ビームスプリッター３０８、レンズ３１０、レンズ３１２、λ／４波長板３１４、ミラー３１６及びミラー３１８とで構成した例について説明したが、複数のレーザ光源３００に一対一に対応するよう、それぞれミラー３０６、偏光ビームスプリッター３０８、レンズ３１０、レンズ３１２、λ／４波長板３１４、ミラー３１６及びミラー３１８を設けて構成しても良い。
【００８４】
図２に示すレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、その空間光変調器３０４を、入射された光ビームをデータに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子であるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）で構成することができる。この空間光変調器（ＤＭＤ）３０４は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力されたデータに基づいて、各空間光変調器３０４毎に制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。このデータは、各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。また、ミラー駆動制御部では、データ処理部で生成した制御信号に基づいて、空間光変調器３０４毎に各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。
【００８５】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４は、図５に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）６０上に、微小ミラー（マイクロミラー）６２が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー６２が設けられており、マイクロミラー６２の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー６２の反射率は９０％以上である。また、マイクロミラー６２の直下には、ヒンジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル６０が配置されており、全体はモノリシック（一体型）に構成されている。
【００８６】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４のＳＲＡＭセル６０にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー６２が、対角線を中心として空間光変調器（ＤＭＤ）３０４が配置された基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾けられる。図６（Ａ）は、マイクロミラー６２がオン状態である＋α度に傾いた状態を示し、図６（Ｂ）は、マイクロミラー６２がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、データ信号に応じて、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図６に示すように制御することによって、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に入射された光はそれぞれのマイクロミラー６２の傾き方向へ反射される。
【００８７】
なお、図６には、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の一部を拡大し、マイクロミラー６２が＋α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー６２のオンオフ制御は、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー６２により光ビームが反射される方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。
【００８８】
また、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４は、その短辺が副走査方向と所定角度θ（例えば、１°〜５°）を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図７（Ａ）は空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像（照射ビーム）５３の走査軌跡を示し、図７（Ｂ）は空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させた場合の照射ビーム５３の走査軌跡を示している。
【００８９】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４には、長辺方向にマイクロミラーが多数個（例えば、８００個）配列されたマイクロミラー列が、短辺方向に多数組（例えば、６００組）配列されているが、図７（Ｂ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる照射ビーム５３の走査軌跡（走査線）のピッチＰ２が、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ１より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の傾斜角は微小であるので、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００９０】
また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねてレーザ照射（多重露光）されることになる。このように、多重露光されることで、レーザ照射位置の微少量をコントロールすることができ、高精細なアニールを実現することができる。また、主走査方向に配列された複数のレーザ光源３００の間のつなぎ目を微少量のレーザ照射位置制御により段差無くつなぐことができる。
【００９１】
なお、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００９２】
このレーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段では、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を利用することにより、基板１５０のａ−Ｓｉ膜に対して、微細な帯状の範囲に投射される光エネルギーの分布を、基板１５０の搬送方向前端側で強く、搬送方向後端側に行くのに従って弱くする等の調整を行い、ａ−Ｓｉ膜内の温度分布をより均一化し、膜厚深さ方向に対しほぼ一定の分布となるよう制御することも可能となる。
［レーザアニール装置の他の構成例］
次に、図１８に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【００９３】
この図１８に示すレーザ折り返し照射手段では、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用して構成する。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【００９４】
このファイバアレイ光源３００Ａは、図８（Ａ）に示すように、多数のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合され、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されてレーザ出射部６８が構成されている。なお、発光点を主走査方向に沿って複数列に配列することもできる。
【００９５】
光ファイバ３１の出射端部は、図８（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の光出射側には、光ファイバ３１の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板６３が配置されている。保護板６３は、光ファイバ３１の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ３１の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ３１の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板６３を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【００９６】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ３１の出射端を隙間無く１列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の２つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【００９７】
このような光ファイバは、例えば、図９に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ３０のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍのクラッド径が小さい光ファイバ３１を同軸的に結合することにより得ることができる。２本の光ファイバは、光ファイバ３１の入射端面が、マルチモード光ファイバ３０の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ３１のコア３１ａの径は、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの径と同じ大きさである。
【００９８】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ３０の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、照射ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ３１を、マルチモード光ファイバ３０の出射端部と称する場合がある。
【００９９】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【０１００】
レーザモジュール６４は、図１０に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードの半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。例えば、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【０１０１】
上記の合波レーザ光源は、例えば図１１及び図１２に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【０１０２】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【０１０３】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通して半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【０１０４】
なお、図１２においては、図の煩雑化を避けるために、複数の半導体レーザのうち半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【０１０５】
図１３は、このコリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向が半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１３の左右方向）と直交するように、発光点の配列方向に密接して配置されている。
【０１０６】
一方、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これら半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【０１０７】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【０１０８】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ２＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【０１０９】
このように構成されたファイバアレイ光源３００Ａでは、合波レーザ光源を構成する半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々が、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【０１１０】
このコリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【０１１１】
各レーザモジュールにおいて、例えば、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合（シングルモードレーザを使用する場合）には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、１００本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約１８Ｗ（＝１８０ｍＷ×１００）である。
【０１１２】
ファイバアレイ光源３００Ａのレーザ出射部６８には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができる。
【０１１３】
例えば、半導体レーザと光ファイバを１対１で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力３０ｍＷ（ミリワット）程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ（開口数）０．２のマルチモード光ファイバが使用されているので、約１８Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを８６４本（８×１０８）束ねなければならず、発光領域の面積は１３．５ｍｍ２（１ｍｍ×１３．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は１．３（ＭＷ（メガワット）／ｍ２）、光ファイバ１本当りの輝度は８（ＭＷ／ｍ２）である。
【０１１４】
これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ１００本で約１８Ｗの出力を得ることができ、レーザ出射部６８での発光領域の面積は０．３１２５ｍｍ２（０．０２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は５７．６（ＭＷ／ｍ２）となり、従来に比べ約４４倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ１本当りの輝度は２８８（ＭＷ／ｍ２）であり、従来に比べ約３６倍の高輝度化を図ることができる。
【０１１５】
次に、図１９に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１１６】
この図１９に示すレーザ折り返し照射手段では、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用して構成する。
【０１１７】
これと共に、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を無くして、ファイバアレイ光源３００Ａにおける各半導体レーザ毎に駆動制御するように構成して、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を設けたものと同様の作用を奏するようにされている。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１１８】
次に、図２０に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１１９】
この図２０に示すレーザ折り返し照射手段では、レーザビームを１往復（２回透過）するよう構成する。このため、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段における偏光ビームスプリッター３０８、λ／４波長板３１４及びミラー３１８を取り除き、その他は、図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１２０】
このように構成した図２０に示すレーザ折り返し照射手段は、１往復（２回透過）だけで十分にａ−Ｓｉ膜吸収させることができる、膜圧、レーザ光の波長等の条件下で使用するのに好適である。また、構成を簡素化して廉価に製造可能とできる。
【０１２１】
次に、図２１に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１２２】
この図２１に示すレーザ折り返し照射手段では、基板１５０におけるＳｉ膜厚が１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の薄い膜厚の場合に、ＧａＮ系半導体レーザの４０５ｎｍの光を用いてレーザアニールを行うように構成されている。このため、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段におけるレーザ光源３００をＧａＮ系半導体レーザ光源として構成する。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１２３】
このように構成した図２１に示すレーザ折り返し照射手段では、ＧａＮ系半導体レーザの４０５ｎｍの光が、膜厚が１０ｎｍ程度の薄いＳｉ膜を１回透過するときの吸収率が、図３に示すように２０％程度と低いものであっても、２往復（４回透過）させることにより、吸収率を８０％程度以上に向上させることができる。
【０１２４】
また、ＧａＮ系半導体レーザの発振上限のレーザ波長λは、λ≦４６０ｎｍである。さらに、レーザ波長λは、λ＞４００ｎｍとなり、紫外線域となると、光分解性が高くなる。このため、ミラーやレンズ等に付着している埃に、この紫外線域のレーザビームが照射されると、ミラーやレンズ等に付着している埃が光分解されて汚染された状態となる。よって、ＧａＮ系半導体レーザの波長λを、λ≧４００ｎｍとすれば、ミラーやレンズ等の汚染防止の効果が高い。
【０１２５】
次に、図２２に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１２６】
この図２２に示すレーザ折り返し照射手段では、ａ−Ｓｉ膜の表面側（第１回目のレーザビームを照射する側）から照射されてａ−Ｓｉ膜を透過したレーザビームを、これとは直交した直線偏光のレーザビームにして同一光路上を折り返しａ−Ｓｉ膜の裏側から照射するため、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段がａ−Ｓｉ膜を設けた基板１５０に一体に構成されたものを利用する。すなわち、この光学手段は、入射されたレーザビームが同一光路上を折り返すように反射されるようにする反射機能と、入射偏光に対して直交する偏光をつくる機能を合わせ持つように構成する。
【０１２７】
このため、光学手段を一体に構成した基板１５０Ａは、例えば、図２３に例示するように、ガラス基板３２０の上面にバッファ層３２２を形成しその上にａ−Ｓｉ層３２４を形成し、ガラス基板３２０の下面に反射膜３２６を形成して構成することができる。
【０１２８】
このバッファ層３２２は、λ／４板３１４の機能をもつように構成するもので、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）の膜をレーザ波長のλ／４の厚さに構成（すなわち、バッファ層３２２の厚さ×屈折率＝λ／４となるように構成）したものである。
【０１２９】
また、反射膜３２６は、Ａｇ（銀）の反射膜、又は多層膜（ＳｉＯ２とＴｉＯ２との多層反射膜）で構成する。
【０１３０】
また、光学手段を一体に構成した基板１５０Ａは、例えば図２４に例示するように、ガラス基板３２０の上面に、ＳｉＯ２とＴｉＯ２との多層反射膜である反射膜３２６を形成し、その上にバッファ層３２２を形成し、さらにその上にａ−Ｓｉ層３２４を形成して構成することができる。
【０１３１】
前述のように構成したλ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａと組み合わせて使用される、図２２に示すレーザ折り返し照射手段では、図２に示すレーザ折り返し照射手段と比較して、レンズ３１２、λ／４波長板３１４及びレンズ３１２が不要になるので、これらを省略した構成とする。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１３２】
また、このλ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａと組み合わせて使用される、図２２に示すレーザ折り返し照射手段では、バッファ層３２２がλ／４波長板３１４の機能を果たし、反射膜３２６がミラー３１６の機能を果たすので、図２に示すレーザ折り返し照射手段と同様の作用、効果を奏する。
【０１３３】
次に、図２５に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１３４】
この図２５に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図１８に示す、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用した構成と、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１３５】
次に、図２６に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１３６】
この図２６に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図１９に示す、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３００Ａを用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されたレーザ出射部から照射されたレーザビームを所望のビーム強度の光ビームに成形するビーム成形光学系３０２Ａを利用した構成と、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を無くして、ファイバアレイ光源３００Ａにおける各半導体レーザ毎に駆動制御する構成と、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１３７】
次に、図２７に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１３８】
この図２７に示すレーザ折り返し照射手段では、前述した図２０に示す、レーザビームを１往復（２回透過）させるため、偏光ビームスプリッター３０８を取り除いた構成と、反射機能を備えた光学手段（λ／４板（四分の一波長板）機能を取り除いたもの）を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。すなわち、この図２７に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成では、図２０に示す構成からレンズ３１２とλ／４波長板３１４とを取り除いた構成と、図２３及び図２４における反射膜３２６を取り除いた構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。この図２７に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図２０に示すレーザ折り返し照射手段と同様の作用、効果を奏する。
【０１３９】
次に、図２８に示す、レーザアニール装置におけるレーザ折り返し照射手段の構成について説明する。
【０１４０】
この図２８に示すレーザ折り返し照射手段では、前述した図２１に示す、基板１５０におけるＳｉ膜厚が１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の薄い膜厚の場合に、ＧａＮ半導体レーザの４０５ｎｍの光を用いてレーザアニールを行う構成と、λ／４板（四分の一波長板）機能及び反射機能を兼ね備えた光学手段を一体に構成した基板１５０Ａの構成とを組み合わせたものである。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザ折り返し照射手段と同等である。
【０１４１】
この図２８に示すレーザ折り返し照射手段は、前述した図２１に示すレーザ折り返し照射手段と同様の作用、効果を奏する。
［レーザアニール装置の動作］
次に、レーザアニール装置の動作について説明する。
【０１４２】
図１に示すように、このレーザアニール装置では、基板１５０（基板１５０Ａでも同様）を表面に吸着したステージ１５２が、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１５２がゲート１６０下を通過する際に、ゲート１６０に取り付けられた検知センサ１６４により基板１５０の先端が検出されると、これより露光開始位置が決定され、レーザ光源３００が駆動制御されて、レーザアニール処理が開始される。
【０１４３】
また、この際、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を備えるものでは、ミラー駆動制御部から制御信号を空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に送信して空間光変調器（ＤＭＤ）３０４のマイクロミラーの各々がオンオフ制御され、レーザ光源３００から空間光変調器（ＤＭＤ）３０４に照射されたレーザ光を、マイクロミラーがオン状態のときに反射することにより、基板１５０のａ−Ｓｉ膜面上に結像してレーザアニール処理される。このようにして、レーザ光源３００から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、基板１５０が空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の使用画素数と略同数の画素単位（照射エリア）でレーザ照射されアニールされる。
【０１４４】
このレーザアニール装置では、基板１５０がステージ１５２と共に一定速度で移動されることにより、基板１５０がステージ移動方向と反対の方向に副走査され、スキャナ１６２により、図１５及び図１６に例示するように帯状の照射済み領域が形成される。
【０１４５】
また、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４を備えるものでは、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、例えば、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４が、主走査方向にマイクロミラーを８００個配列したマイクロミラー列を、副走査方向に６００組配列した構成とされている場合に、コントローラにより一部のマイクロミラー列（例えば、８００個×１０列）だけが駆動されるように制御しても良い。
【０１４６】
ここで、図１４（Ａ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図１４（Ｂ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３０４の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。
【０１４７】
空間光変調器（ＤＭＤ）３０４のデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して１ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで１ライン当りの変調速度が速くなる。
【０１４８】
このレーザアニール装置では、スキャナ１６２による基板１５０の副走査が終了し、検知センサ１６４で基板１５０の後端が検出されると、ステージ１５２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【０１４９】
このレーザアニール装置は、エキシマレーザに代えて高品位な半導体レーザをレーザ光源に用いているので、以下の１）〜６）の利点がある。
【０１５０】
１）光出力が安定化し、結晶粒径サイズの揃ったポリシリコン膜を再現性良く作製することができる。
【０１５１】
２）半導体レーザは、全部固体の半導体レーザであるため、数万時間に亘り駆動可能で高信頼性を有している。また、半導体レーザは、光出射端面の破損が生じ難く、高信頼性であり、高ピークパワーを実現できる。
【０１５２】
３）ガスレーザであるエキシマレーザを用いる場合と比べると、小型化が可能で、メンテナンスが非常に簡便になる。また、エネルギー効率も１０％〜２０％と高い。
【０１５３】
４）半導体レーザは、基本的にＣＷ（連続）駆動が可能なレーザであるため、パルス駆動する場合にも、アモルファスシリコンの吸収量、発熱量に応じて繰り返し周波数、パルス幅（ｄｕｔｙ）を自由に設定することができる。例えば、数Ｈｚ〜数ＭＨｚまでの任意の繰り返し動作を実現でき、数ｐｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの任意のパルス幅を実現できる。特に、繰り返し周波数を数１０ＭＨｚ帯程度までとすることができ、ＣＷ駆動する場合と同様に、連続的な結晶粒界を形成することができる。また、繰り返し周波数を大きくすることができるので、高速アニールが可能である。
【０１５４】
５）半導体レーザをＣＷ駆動して連続したレーザ光でアニール面上を所定方向に走査することができるので、結晶成長の方向が制御され、連続的な結晶粒界を形成することができ、高キャリア移動度のポリシリコン膜を形成することが可能になる。
【０１５５】
また、このレーザアニール装置で、レーザ光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源３００Ａを用いた場合には、以下の１）〜３）の利点がある。
【０１５６】
１）一般に、レーザアニール装置では、アニール面（露光面）において４００ｍＪ／ｃｍ２〜７００ｍＪ／ｃｍ２の範囲の高い光密度が必要であるが、本実施の形態では、アレイ化するファイバ本数、合波するレーザビームの本数を増加することで、容易にマルチビームでの高出力化、高光密度化を図ることができる。例えば、１本の合波レーザ光源のファイバ出力を１８０ｍＷとすると、５５６本をバンドルすれば１００Ｗの高出力を安定に得ることができる。加えて、ビーム品位も安定しており、高パワー密度である。従って、将来の低温ポリシリコンの成膜面積の大面積化やハイスループット化へも対応することができる。
【０１５７】
２）光ファイバの出射端部はコネクタ等を用いて交換可能に取り付けることが可能であり、メンテナンスが容易になる。
【０１５８】
３）小型の半導体レーザを合波した小型の合波モジュールなので、光源部をエキシマレーザより非常に小型化することができる。
【０１５９】
さらに、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくした場合には、発光部径がより小さくなり、ファイバアレイ光源３００Ａの高輝度化が図られる。これにより、より深い焦点深度を備えたレーザアニール装置を実現することができる。例えば、ビーム径１μｍ以下、解像度０．１μｍ以下の超高解像度でのアニールの場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細なアニールが可能となる。
【０１６０】
なお、前述したレーザアニール装置におけるレーザ光源は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧＳＨＧレーザを利用して構成しても良い。
【０１６１】
また、前述したレーザアニール装置におけるレーザ光源は、Ｐｒ３＋が添加された固体レーザ結晶を利用した固体レーザで波長４６５〜４９５ｎｍのレーザビームを発振させるもの、又は波長５１５〜５５５ｎｍの緑色領域のレーザビームを発振させるもので構成しても良い。
【０１６２】
また、Ｎｄ３＋がドープされたＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ２）、ｌｉＹＦ４、ＹＶＯ４等の固体レーザ結晶を、半導体レーザダイオードによって励起させる半導体レーザ励起Ｎｄ系固体レーザのＳＨ光（第２高調波）を発生させるＳＨＧ（第２高調波発生）固体レーザで構成しても良い。
【０１６３】
さらに、このレーザアニール装置におけるレーザ光源は、Ａｒレーザ（気体レーザ）における波長４８８ｎｍのレーザ光又は波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用いても良い。さらに、マルチラインＡｒレーザを用いても良い。
【０１６４】
【発明の効果】
本発明のレーザアニール方法及び装置によれば、レーザエネルギーを無駄なく利用して大結晶粒を形成可能とすると共に、薄膜結晶化を可能とするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における各レーザの波長に対するアモルファスシリコンの吸収特性を示す線図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における５３２ｎｍの波長のレーザビームにおける２００ｎｍの膜厚に相当する光エネルギーの吸収量を例示するアモルファスシリコンの吸収特性を示す線図、（Ｂ）は、５３２ｎｍの波長のレーザビームが５０ｎｍ膜厚のなかで４回折り返されるときの吸収状態を例示する線図、（Ｃ）は、５３２ｎｍの波長のレーザビームが５０ｎｍ膜厚のなかで４回折り返されたときに膜厚深さ方向に対しほぼ均一に吸収された分布状態となることを示す線図、（Ｄ）は、５３２ｎｍの波長のレーザビームが５０ｎｍ膜厚のなかで４回折り返されたときの、膜内の厚さ方向に対する温度分布状態を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の構成を示す部分拡大図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、走査ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図である。
【図８】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。
【図９】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図１０】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図１１】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図１２】図１１に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１３】図１２に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図である。
【図１５】スキャナによる１回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図１６】（Ａ）及び（Ｂ）はスキャナによる複数回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図１７】（Ａ）及び（Ｂ）は、低温ポリシリコンＴＦＴ形成プロセスを説明するための図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ファイバアレイ光源を用いたアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図１９】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ファイバアレイ光源を用い、ＤＭＤを無くしたアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２０】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、レーザビームを一往復させるアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２１】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ＧａＮ半導体レーザの４０５ｎｍの光ビームを出射する光源を用いたアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２２】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２３】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置で利用する、光学手段を一体に構成した基板を例示する要部拡大断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置で利用する、光学手段を一体に構成した基板の他の構成例を示す要部拡大断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ファイバアレイ光源を利用して光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２６】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ＤＭＤ無しで、ファイバアレイ光源を利用して光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、レーザビームを一往復させて光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、ＧａＮ半導体レーザの４０５ｎｍの光ビームを出射する光源を利用して光学手段を一体に構成した基板をアニール処理する光路を示す光路図である。
【図２９】従来のエキシマ・レーザアニールにより部分溶融された状態を示す説明図である。
【図３０】従来のエキシマ・レーザアニールにより、残存ａ−Ｓｉ相を島状にして結晶粒が成長する状態を示す説明図である。
【図３１】従来のエキシマ・レーザアニールにより、ａ−Ｓｉ相を完全溶融してから過冷却状態となり、微小結晶粒で全体が埋め尽くされる状態を示す説明図である。
【図３２】従来のエキシマ・レーザアニールにおけるレーザ強度と結晶粒径の関係を定性的に示す説明図である。
【図３３】従来の結晶成長を横方向に制御するアニール法において、膜厚と反対側からの結晶粒との衝突により結晶粒界の大きさが制限されてしまう状態を示す説明図である。
【図３４】従来の結晶成長を横方向に制御するアニール法において、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍ光で深度方向に対する温度勾配を平坦とし、固液界面を垂直に立たせて結晶粒界を横方向へ大きく成長させる状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１５０ 基板
１５０Ａ 基板
１５２ ステージ
１６２ スキャナ
３００ レーザ光源
３００Ａ ファイバアレイ光源
３０２ ビーム成形光学系
３０２Ａ ビーム成形光学系
３０４ 空間光変調器
３０６ ミラー
３０８ 偏光ビームスプリッター
３１０ レンズ
３１２ レンズ
３１４ λ／４波長板
３１６ ミラー
３１８ ミラー
３２０ ガラス基板
３２２ バッファ層
３２４ ａ−Ｓｉ層
３２６ 反射膜
Claims (6)
- レーザ光源から出射されたレーザビームを、アニールの対象物内に透過させる光路上で折り返し照射することにより、前記対象物に前記レーザビームを複数回透過させて、前記対象物内の透過方向に生じるエネルギー吸収分布を一定に保つようにすることを特徴とするレーザアニール方法。
- レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザビームをアニールの対象物内に透過させる光路と、
前記光路上における、前記レーザ光源と、前記対象物との間に配置されて、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを透過させる偏光ビームスプリッターと、
前記対象物を透過したレーザビームを、前記対象物内に透過させる光路上で折り返し照射するように反射させるミラーと、
前記対象物と、前記ミラーとの間の前記光路上に配置されたλ／４板と、
前記対象物を透過したレーザビームである入射偏光が前記λ／４板を通り、前記ミラーに反射されて再び前記λ／４板を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから、前記対象物内を再度透過してから前記偏光ビームスプリッターで反射されたレーザビームを、前記対象物内に透過させる光路上に折り返すように反射させるミラーと、
を有することを特徴とするレーザアニール装置。 - アニールさせる膜と、前記アニールさせる膜を透過したレーザビームを、前記アニールさせる膜内に透過させる光路上で折り返すように反射させる反射膜と、前記アニールさせる膜と前記反射膜との間に配置されたλ／４板の機能を有するバッファ層とを有する対象物をアニール処理の対象とし、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザビームを前記対象物に設けた前記アニールさせる膜に透過させる光路と、
前記光路上における、前記レーザ光源と前記対象物との間に配置されて、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記アニールさせる膜に透過させる偏光ビームスプリッターと、
前記アニールさせる膜を透過したレーザビームである入射偏光が前記λ／４板の機能を有する前記バッファ層を通り、前記反射膜に反射されて再び前記λ／４板の機能を有するバッファ層を通って入射偏光に対して直交する偏光とされてから、前記アニールさせる膜内を再度透過してから前記偏光ビームスプリッターで反射されたレーザビームを、前記対象物内に透過させる光路上に折り返すように反射させるミラーと、
を有することを特徴とするレーザアニール装置。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザビームをアニールの対象物内に透過させる光路と、
前記対象物を透過したレーザビームを、前記対象物内に透過させる光路上で折り返し照射するように反射させるミラーと、
を有することを特徴とするレーザアニール装置。 - 前記アニールの対象物が、膜厚２５〜２３０ｎｍに構成されたアモルファスシリコンであり、前記レーザ光源が、Ｎｄ系固体レーザを発振源とするレーザの第２高調波の光ビームを発振するものであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザ光源が、ＧａＮ系半導体レーザによる４００ｎｍから４６０ｎｍの波長の光ビームを出射するものであることを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れかに記載のレーザアニール装置。
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