JP2004349643A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザエネルギーを平均的にかつ無駄なく吸収させ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。
【解決手段】アニールの対象物１５０における同一の照射位置に、上方から投射されたレーザビームによる温度分布と下方から投射されたレーザビームによる温度分布との和となる温度分布が、対象物１５０の厚さ方向に対し一定に近い状態とされる。このため、固液界面は、対象物１５０の面方向に対し垂直に近く形成されることになり、横方向へ結晶成長が進むようにして大結晶粒を形成させることが可能となる。薄い膜厚の対象物１５０でも入力エネルギーを無駄なく利用してアニール処理を行う。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームを対象物の同一箇所に両面側から照射して両面から同時に加熱することによりアニール処理を行う、レーザアニール装置に関する。
【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）化させるレーザアニール処理は、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１×１０^６ｃｍ^−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３４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３５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３６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３７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３７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３４、図３５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３８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：ＹＶＯ_４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：ＹＶＯ_４レーザの５３２ｎｍ光のａ−Ｓｉに対する吸収係数は、５×１０^４ｃｍ^−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：ＹＶＯ_４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３９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／ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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１×１０^７ショット程度と短くメンテナンスコストが高い、装置が大型化すし、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：ＹＶＯ_４レーザの５３２ｎｍ光によるレーザアニール法では、Ｎｄ：ＹＶＯ_４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を垂直形成させることと、薄膜結晶化させることとが、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：ＹＶＯ_４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膜を例えば５０ｎｍ程度に薄く構成する場合に、入力エネルギーの無駄が大幅に増大することになる。
【００２５】
本発明は上述の事実を考慮し、レーザエネルギーを平均的にかつ無駄なく吸収させ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装置は、ＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザビームから２分割された一方のレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させる第１の光路と、膜状のアニールの対象物に対して、一方の面から投射された一方のレーザビームの照射位置における他方の面より、レーザ光源から出射されたレーザビームから２分割された他方のレーザビームを投射させる第２の光路と、アニールの対象物と、レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有することを特徴とする。
【００２７】
上述のように構成することにより、ＧａＮ系半導体レーザで出射した比較的短波長のレーザビームをアニールの対象物に対して表裏両面から照射してアニール処理を行った際、アニールの対象物内に入力されたレーザビームの光エネルギーが表裏両面から吸収されて入力された光エネルギーの有効利用を図ることができる。さらに、アニールの対象物に対して、一方の面からレーザビームを投射させたときの膜内吸収エネルギー分布とアニールの対象物に対して他方の面からレーザビームを投射させたときの膜内吸収エネルギー分布との和となる膜内の全吸収エネルギー分布を膜厚方向に対し均一化させるようにすることができる。このため、固液界面をアニールの対象物の面方向に対し垂直に近く形成させて横方向へ結晶成長が進むようにして大結晶粒を形成させることが可能となる。
【００２８】
また、ＧａＮ系レーザ光源を駆動する上での安定性をより向上し、個々のＧａＮ系半導体レーザ素子の出力が半導体レーザのうちでは比較的強くでき、これらの総数を増加又は減少させてより高出力化したり、比較的低い出力に設定する調整を容易に行うことができ、かつＧａＮ系半導体レーザ光源はより安価なので、製品をより廉価に製造できる。
【００２９】
本発明の請求項２に記載のレーザアニール装置は、少なくとも一方がＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを出射するレーザ光源として構成されている、第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源と、第１のレーザ光源から出射されたレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させる第１の光路と、膜状のアニールの対象物に対して、一方の面から投射された第１のレーザ光源から出射されたレーザビームの照射位置における他方の面より、第２のレーザ光源から出射されたレーザビームを投射させる第２の光路と、アニールの対象物と、レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有することを特徴とする。
【００３０】
上述のように構成することにより、少なくとも一方がＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを出射するレーザ光源として構成されている、第１のレーザ光源と、第２のレーザ光源とから、それぞれ出射したレーザビームをアニールの対象物に対して表裏両面から照射してアニール処理を行った際、アニールの対象物内に入力されたレーザビームの光エネルギーが表裏両面から吸収されて入力された光エネルギーの有効利用を図ることができる。さらに、アニールの対象物に対して、一方の面からレーザビームを投射させたときの膜内吸収エネルギー分布とアニールの対象物に対して他方の面からレーザビームを投射させたときの膜内吸収エネルギー分布との和となる膜内の全吸収エネルギー分布を膜厚方向に対し均一化させるようにすることができる。このため、固液界面をアニールの対象物の面方向に対し垂直に近く形成させて横方向へ結晶成長が進むようにして大結晶粒を形成させることが可能となる。
【００３１】
さらに、２個の独立したレーザ光源を利用することにより、アニールの対象物の表裏両面から吸収される光エネルギーの総量を増加させることができる。
【００３２】
また、少なくとも一方のレーザ光源をＧａＮ系レーザ光源としたので、このＧａＮ系レーザ光源は駆動する上での安定性が比較的高く、個々のＧａＮ系半導体レーザ素子の出力は半導体レーザのうちでは比較的強くでき、これらの総数を増加又は減少させてより高出力化したり、比較的低い出力に設定する調整を容易に行うことができ、かつＧａＮ系半導体レーザ光源はより安価なので、製品をより廉価に製造できる。
【００３３】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザアニール装置において、第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させたときの第１の膜内吸収エネルギー分布と、第２のレーザ光源から出射された第２の所定波長のレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させたときの第２の膜内吸収エネルギー分布と、のエネルギー分布の和である膜内の全吸収エネルギー分布を、アニールの対象物の膜厚方向に対して均一化するように、第１のレーザ光源から出射されるレーザビームの第１の波長を選択し、かつ第２のレーザ光源から出射されるレーザビームの第２の波長を選択して設定されていることを特徴とする。
【００３４】
上述のように構成することにより、請求項２に記載の発明の作用、効果に加えて、第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させ、第２のレーザ光源から出射された第２の所定波長のレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して他方の面から投射させてアニール処理を行った際、アニールの対象物内に入力されたレーザビームの、膜状のアニールの対象物に対する全吸収エネルギー分布をアニールの対象物の膜厚方向に対してより均一化させるようにすることができる。このため、固液界面をアニールの対象物の面方向に対しより垂直に近く形成させて横方向へ結晶成長が進むようにし、より良好に大結晶粒を形成させることが可能となる。
【００３５】
本発明の請求項４に記載のレーザアニール装置は、ＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させる第１の光路と、膜状のアニールの対象物に対して、一方の面から投射されたレーザビームの照射位置に、他方の面からレーザビームを投射させる第２の光路と、アニールの対象物と、レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有するレーザアニール装置において、膜状のアニールの対象物がレーザビームを吸収するときの吸収係数をα（λ）とし、アニールの対象物の膜厚をｄとしたときに、α（λ）・ｄ≦４．６の条件を満たす波長のレーザビームを出射するようレーザ光源を構成したことを特徴とする。
【００３６】
上述のように構成することにより、レーザビームをアニールの対象物に対して表裏両面から照射してアニール処理を行った際、アニールの対象物内に入力されたレーザビームの光エネルギーが実効的に９９％以内で吸収されて入力された光エネルギーの有効利用を図ることができる。さらに、アニールの対象物に対して、一方の面からレーザビームを投射させたときの膜内吸収エネルギー分布とアニールの対象物に対して他方の面からレーザビームを投射させたときの膜内吸収エネルギー分布との和となる膜内の全吸収エネルギー分布を膜厚方向に対し均一化させることができる。このため、固液界面をアニールの対象物の面方向に対し垂直に近く形成させて横方向へ結晶成長が進むようにして大結晶粒を形成させることが可能となる。
【００３７】
本発明の請求項５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に対して一方の面から投射させる第１の光路と、アニールの対象物に対して、一方の面から投射されたレーザビームの照射位置に、他方の面からレーザビームを投射させる第２の光路と、アニールの対象物と、レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有するレーザアニール装置において、レーザ光源から出射されたレーザビームにおける光エネルギーの分布を、アニール対象物の走査方向前端側で強く、走査方向後端側に行くのに従って弱くするよう光エネルギーの強度に勾配を持たせる分布としたことを特徴とする。
【００３８】
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における光エネルギーの分布をアニール対象物の走査方向（搬送方向）前端側で強く、走査方向後端側に行くのに従って弱くした場合には、例えば、アニールの対象物におけるレーザビームが投射されて溶融を開始された走査方向前端側の溶融開始位置から走査方向後端側の固液界面の位置までの溶融状態にある部分における温度勾配を、溶融開始位置から固液界面の位置にかけて滑らかに温度が低下するよう制御して、アニールの対象物におけるレーザビームで溶融されたものを、必ず固液界面に生じる結晶核から結晶を成長させるように制御できる。よって、溶融開始位置から固液界面の位置の間において、部分的に冷却された所（固液界面以外の部分）に生じた結晶核から結晶が成長して横方向結晶成長が妨げられ、大結晶粒の形成が阻害されることを防止できる。
【００３９】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいず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、ファイバアレイ光源として構成されていることを特徴とする。
【００４０】
上述のような構成にすることにより、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明の作用、効果に加えて、レーザ光源の高出力化、高輝度化を図り、単一面積へ高輝度のレーザビームを照射することができアニール処理の高速化（スループット向上）を図ることができる。
【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２１（Ａ）に示すように、ガラス製又はプラスチック製（フィルム等を含む）の透明な基板１５０上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）絶縁膜１９０を堆積し、ＳｉＯ_ｘ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２１（Ｂ）に示すように、透明な基板１５０上に、ＳｉＯ_ｘ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。なお、ステージ１５２は、アニールの対象物とレーザビームとを相対的に移動して走査する手段を構成する。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
このレーザアニール装置では、ａ−Ｓｉ層に直接表裏両面からＧａＮ半導体レーザ光（４０５ｎｍ）を照射し、ａ−Ｓｉの４０５ｎｍ光の吸収特性により、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ことで、横方向への結晶成長を制御可能とするため、スキャナ１６２からステージ１５２の裏側にかけて、図２に示すレーザを表裏両面から照射する手段が構成されている。
【００４７】
このレーザを表裏両面から照射する手段では、レーザ光源３００として、ＧａＮ半導体レーザで発光された波長４０５ｎｍ光を、光ファイバー３０１内で集積し、出射する光ファイバーモジュール光源を用いる。
【００４８】
このレーザを表裏両面から照射する手段では、光ファイバーモジュール光源であるレーザ光源３００の光ファイバー３０１から出射された波長４０５ｎｍのレーザビームを、ビーム成形光学系３０２によりビーム成形し、ビームスプリッター３０４により２分し、対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する光路と、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する光路とに分けるよう構成する。
【００４９】
このビームスプリッター３０４を透過したレーザビームは、対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する光路上を進み、ビーム照射用のミラー３０６により、ａ−Ｓｉ層を設けた基板１５０に垂直な方向へ折り曲げられ、投影レンズ３０８により所定のビームパターンにて、ａ−Ｓｉ層の表面の所定位置に向けて上方から投射される。
【００５０】
また、ビームスプリッター３０４で反射したレーザビームは、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する光路上を進み、ビーム照射用の第１ミラー３１０および第２ミラー３１２により、基板１５０に垂直な方向へ折り曲げられ、投影レンズ３１４により所定のビームパターンにて、ａ−Ｓｉ層の裏面の所定位置に向けて下方から投射される。
【００５１】
このレーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段では、ａ−Ｓｉ層の表面から照射されるレーザビームと、ａ−Ｓｉ層の裏面から照射されるレーザビームとが、ａ−Ｓｉ層における同一の照射位置に照射されるように光路が設定されていると共に、同時に照射されることになる。
【００５２】
次に、上述のように構成したレーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段によって、レーザアニール処理することが有効であることの理由について説明する。
【００５３】
まず、対象物としての基板１５０上のａ−Ｓｉ層の表面に向けて上方からだけレーザビームが投射された場合における、投射されたレーザビーム（波長４０５ｎｍ）の光エネルギーがａ−Ｓｉ層（厚さ５０ｎｍ）で吸収される様子を説明する。
【００５４】
厚さ５０ｎｍのａ−Ｓｉ層に対して、上方より投射された波長４０５ｎｍの光エネルギーは、図３に示すａ−Ｓｉ層（膜）内で吸収される光エネルギーの状態から分かるように、厚さ５０ｎｍのａ−Ｓｉ層でほぼ完全に吸収される。
【００５５】
ここで、ある深さｄで吸収される光エネルギーＰ_ｄを求めるため、薄層Δｄで吸収される光エネルギー量について考える。
【００５６】
いま、入力エネルギーをＰ_０とすると、深さｄまでで吸収される光エネルギーは、Ｐ_０ｅｘｐ（−αｄ）である。また深さｄ＋Δｄまでで吸収されるエネルギーはＰ_０ｅｘｐ（−α（ｄ＋Δｄ））である。
【００５７】
したがってΔｄの層厚で吸収されるエネルギーはＰ_０｛ｅｘｐ（−αｄ）−ｅｘｐ（−α（ｄ＋Δｄ））｝である。以上より、次式が成立する。
【００５８】
【数１】

【００５９】
よって、ある深さｄで吸収される光エネルギーＰ_ｄは、Ｐ_ｄ＝Ｐ_０αｅｘｐ（−αｄ）と表される。
【００６０】
すなわち、波長４０５ｎｍのレーザビームをａ−Ｓｉ層（膜）に投射した際に、ａ−Ｓｉ層（膜）内で吸収される光エネルギーの状態は、図３に示すように、ａ−Ｓｉ膜の表面から吸収が起こり、膜内で指数関数的に吸収が少なくなりながら、５０ｎｍの膜厚で入力エネルギーＰ_０を全て吸収し終わる。なお図３において、縦軸、横軸及び指数関数曲線で囲まれた部分の面積は、入力エネルギーＰ_０に対応する。
【００６１】
このように波長４０５ｎｍのレーザビームをａ−Ｓｉ層（膜）に投射した場合には、光エネルギーの吸収が図３のように起こるため、ａ−Ｓｉの膜内の温度も略図３と同様の分布を持つこととなる。
【００６２】
このため固液界面も温度分布を反映し図６に示すようにａ−Ｓｉ層の膜面に対し垂直とはならず、ある角度を有する斜め形状となる。このため結晶成長は、図７に示すように、膜面方向に対し斜め方向に進むので、図８に示すように、各結晶粒Ｓは斜め方向に成長し、その成長長さが膜厚に制限された短いものとなる。
【００６３】
そこで、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段によって、レーザアニール処理を行った場合には、ａ−Ｓｉ層の膜の上下両面からレーザビームが投射されると、図４に示すように、ａ−Ｓｉ膜の上方から投射されたレーザビームによる温度分布が二点鎖線で示す状態となり、ａ−Ｓｉ膜の下方から投射されたレーザビームによる温度分布が一点鎖線で示す状態となる。
【００６４】
よって、これら上下両方のレーザビームにより形成される温度分布は、上方から投射されたレーザビームによる温度分布と、下方から投射されたレーザビームによる温度分布との和となり、図４に三点鎖線で示すようになって、温度分布が深さ（アニールの対象物における厚さ方向）に対し一定に近い形状となる。
【００６５】
したがって、固液界面ＬＳは図５に示すようにａ−Ｓｉ膜面に対し垂直に近く形成されることとなり、膜厚に制限されることなく横方向へ結晶成長が進み、大結晶粒の形成が可能となる。
【００６６】
この結果、５０ｎｍ程度の膜厚で入力エネルギーを無駄なく利用して薄膜結晶化が可能であり、かつ固液界面ＬＳを垂直に形成して、ａ−Ｓｉ層の膜厚に制限されない横方向結晶成長を実現し、大結晶粒を形成可能できる。すなわち、大結晶粒形成に有効な固液界面ＬＳの垂直形成と、薄膜結晶化という相反する要求を両立させることができる。
【００６７】
次に、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段によって、レーザアニール処理を良好に行うための条件について説明する。
【００６８】
このレーザアニール処理を良好に行うための条件は、膜状の対象物が光ビームを吸収するときの吸収係数α（λ）と、膜厚ｄの積で規定する。
【００６９】
ここで、光ビームを膜状の対象物に表裏両面から照射して、アニール処理を行った際、入力パワーＰ_０の光ビームが吸収係数α（λ）、膜厚ｄを透過するパワーＰは、Ｐ＝Ｐ_０ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）であるから、膜厚ｄで吸収されるパワーＰ_ｄは、Ｐ_ｄ＝Ｐ_０（１−ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）である。
【００７０】
したがって吸収率η_ａｂｓは、η_ａｂｓ＝１−ｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）…▲１▼である。
【００７１】
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（入力された光ビームのエネルギーが、９９％吸収されるという条件）を、η_ａｂｓ＝０．９９…▲２▼で規定する。また入力された光エネルギーの有効利用できることを、η_ａｂｓ＝０．４…▲３▼で規定する。
【００７２】
また、▲１▼、▲２▼よりｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）＝０．０１である。
【００７３】
よって、α（λ）・ｄ＝４．６…▲４▼を得る。
【００７４】
また▲２▼、▲３▼よりｅｘｐ（−α（λ）・ｄ）＝０．６である。
【００７５】
よって、α（λ）・ｄ〜０．５…▲５▼を得る。
【００７６】
以上より、両面照射の効果が有効に生じる範囲は、▲４▼より、α（λ）・ｄ≦４．６…▲６▼と規定する。
【００７７】
なお、エネルギーロスが許容範囲にあること（レーザビームの光エネルギーを４０％以上利用して経済的に見合うようにアニール処理を行えるようにするという条件）の下では、▲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を０．５≦α（λ）・ｄ≦４．６…▲７▼と規定する。
［レーザアニール装置の他の構成例］
次に、図２２に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【００７８】
この図２２に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、レーザ光源３００の光ファイバー３０１から投射されたレーザビームを、ビーム成形光学系３０２及び空間光変調器３１６とを利用して所望のビーム強度の光ビームに変調するよう構成する。なお、この図２２に示すレーザを表裏両面から照射する手段におけるその他の構成は、前述した図２に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。
【００７９】
この図２２に示すレーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段では、その空間光変調器３１６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して、光ビームを所定の空間分布に形成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）３１６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３１６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３１６毎に各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。
【００８０】
空間光変調器（ＤＭＤ）３１６は、図９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。
【００８１】
空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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）３１６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１０（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１０（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）３１６の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図１０に示すように制御することによって、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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。
【００８２】
なお、図１０には、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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）３１６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。
【００８３】
また、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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１１（Ａ）は空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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１１（Ｂ）は空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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。
【００８４】
空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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１１（Ｂ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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Ｐ_２が、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ_１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）３１６の傾斜角は微小であるので、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を傾斜させた場合の走査幅Ｗ_２と、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を傾斜させない場合の走査幅Ｗ_１とは略同一である。
【００８５】
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。
【００８６】
なお、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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。
【００８７】
このレーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段では、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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、図２３に示すように、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して光エネルギーの強度に勾配を持たせる分布にする調整を行い、図２４及び図２５に示すような、理想的なａ−Ｓｉ膜内の深さ方向（膜厚方向）の温度分布となるように制御することが可能となる。
【００８８】
すなわち、このレーザを表裏両面から照射する手段では、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を利用してａ−Ｓｉ膜に対する光エネルギーの分布を図２３に示すように基板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した場合には、ａ−Ｓｉ膜におけるレーザビームが投射されて溶融を開始された搬送方向前端側（搬送方向上流側）の溶融開始位置から搬送方向後端側（搬送方向下流側）の固液界面ＬＳの位置までの溶融状態にある部分における温度勾配を、図２４に一点鎖線で示すように、溶融開始位置から固液界面ＬＳの位置にかけて滑らかに温度が低下するよう制御できる。
【００８９】
このように溶融開始位置から固液界面ＬＳの位置にかけて滑らかに温度が低下するような温度勾配を呈するように加熱制御する場合には、ａ−Ｓｉ膜におけるレーザビームで溶融されたものを、必ず固液界面ＬＳに生じる結晶核から結晶を成長させるように制御できる。
【００９０】
よって例えば、溶融開始位置から固液界面ＬＳの位置の間において、部分的に冷却された所（固液界面ＬＳ以外の部分）に生じた結晶核から結晶が成長して横方向結晶成長が妨げられ、大結晶粒の形成が阻害されることを防止できる。
【００９１】
なお、この加熱制御にあたっては、ａ−Ｓｉ膜におけるレーザビームで溶融された部分が種々の要因で冷却されても、固液界面ＬＳ以外の部分に結晶核が生じないようにできる温度勾配に設定することが望ましい。
【００９２】
次に、図２６に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【００９３】
この図２６に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを用いて、対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する第１の光路と、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する第２の光路とを別々に構成する。
【００９４】
この２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを用いたレーザを表裏両面から照射する手段では、２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを、それぞれＧａＮ半導体レーザで発光された波長４０５ｎｍ光を光ファイバー３０１内で集積して出射する光ファイバーモジュール光源として構成する。
【００９５】
この図２６に示す、２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを用いたレーザを表裏両面から照射する手段では、その対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する光路を、一方のレーザ光源３００Ａの光ファイバー３０１から出射された波長４０５ｎｍのレーザビームを、ビーム成形光学系３０２によりビーム成形し、ビーム照射用のミラー３０６によりａ−Ｓｉ層を設けた基板１５０に垂直な方向へ折り曲げ、投影レンズ３０８により所定のビームパターンにてａ−Ｓｉ層の表面の所定位置に向けて上方から投射するよう構成する。
【００９６】
また、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する光路は、他方のレーザ光源３００Ｂの光ファイバー３０１から出射された波長４０５ｎｍのレーザビームを、ビーム成形光学系３０２によりビーム成形し、ビーム照射用のミラー３０６によりａ−Ｓｉ層を設けた基板１５０に垂直な方向へ折り曲げ、投影レンズ３０８により所定のビームパターンにてａ−Ｓｉ層の表面の所定位置に向けて下方から投射するよう構成する。
【００９７】
なお、この図２６に示すレーザを表裏両面から照射する手段における以上説明した以外の構成、作用及び効果は、前述した図２に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。
【００９８】
この図２６に示す、２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを用いたレーザを表裏両面から照射する手段では、波長の調整・変調・レーザ出力等を変更調整することにより、固液界面を膜面に対して垂直にするようにできる。
【００９９】
次に、図２６に示す、２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを用いたレーザを表裏両面から照射する手段において、一方のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂと他方のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂが、異なる波長のレーザビームをそれぞれ異なる方向から両面同時照射するよう構成すると共に、レーザ出力を調整するように構成した場合について説明する。
【０１００】
この場合には、例えば、一方のレーザ光源３００ＡをＧａＮ半導体レーザで発光された波長４６０ｎｍの光を光ファイバー３０１内で集積して出射する光ファイバーモジュール光源で構成し、他方のレーザ光源３００ＢをＧａＮ半導体レーザで発光された波長４００ｎｍ光を光ファイバー３０１内で集積して出射する光ファイバーモジュール光源で構成する。
【０１０１】
一方のレーザ光源３００Ａから投射される波長４６０ｎｍのレーザ光の、ａ−Ｓｉに対する吸収係数は１×１０^５ｃｍ^−１であるので、５０ｎｍ＝５×１０^−６ｃｍの膜厚に吸収される割合は１−ｅｘｐ（１×１０^５×５×１０^−６）＝１−ｅｘｐ（−０．５）＝０．４となる。
【０１０２】
他方のレーザ光源３００Ｂから投射される波長４００ｎｍの光のａ−Ｓｉに対する吸収係数は５×１０^５ｃｍ^−１であるので同様に５０ｎｍの膜厚に吸収される割合は１−ｅｘｐ（５×１０^５×５×１０^−６）＝１−ｅｘｐ（２．５）＝０．９２となる。
【０１０３】
ここで、一方のレーザ光源３００Ａから投射される波長４６０ｎｍのレーザ光を基板１５０の片側より入力した場合のａ−Ｓｉ膜に吸収される光エネルギーの様子は、図３２にハッチングを付して示した、波長４６０ｎｍ光の膜内吸収エネルギー分布Ｌ４６０の如くなる。
【０１０４】
よって、図３２にから理解できるように、ａ−Ｓｉ膜の膜厚方向に対し吸収エネルギーを一様にするためには、図３２にドット（ハーフトーン部分）を付して示した、膜内吸収エネルギー分布ＬＮを加えるように形成すれば良い。
【０１０５】
すなわち、この膜内吸収エネルギー分布ＬＮは、ａ−Ｓｉ膜内の吸収エネルギー分布を膜厚方向（深さ方向）に対し一定とするために必要とされるａ−Ｓｉ膜内吸収エネルギー分布である。
【０１０６】
そこで、図３３（Ａ）に示すように、４６０ｎｍのレーザ光と対向した方向から、他方のレーザ光源３００Ｂから投射される波長４００ｎｍのレーザ光を、膜内吸収エネルギー分布ＬＮに対応したエネルギー量だけ投入して４００ｎｍの光による膜内吸収エネルギー分布Ｌ４００（図３２にハッチングとドットとを付して示した部分）を形成する。
【０１０７】
すると図３２（Ａ）に示すように、膜内吸収エネルギー分布Ｌ４６０と膜内吸収エネルギー分布Ｌ４００のエネルギー分布の和として、膜内の全吸収エネルギー分布ＬＡが形成される。
【０１０８】
また比較のため、一方と他方のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂから、それぞれ波長４００ｎｍのレーザ光を投射して両面照射することにより、４００ｎｍの光による膜内吸収エネルギー分布Ｌ４００（図３３（Ｂ）にハッチングを付して示した部分）を形成し、これらのエネルギー分布の和としての膜内の全吸収エネルギー分布ＬＢを求めると、図３３（Ｂ）のようになる。
【０１０９】
ここで、図３２（Ａ）に示す膜内の全吸収エネルギー分布ＬＡと、図３３（Ｂ）に示す膜内の全吸収エネルギー分布ＬＢとを比較すると、全吸収エネルギー分布ＬＡのほうがより膜厚方向に対し吸収エネルギー分布が均一化されていることが確認できる。
【０１１０】
よって、両面照射における各照射方向に対し、それぞれ照射波長とレーザ出力を調整することでより有効なアニールが実現可能である。
【０１１１】
なおレーザ出力の調整は、レーザを変調することにより投入されるエネルギー量の調整に代えてもよい。
【０１１２】
次に、図２７に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【０１１３】
この図２７に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、２個のレーザ光源３００Ａ、３００Ｂを用いて、対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する第１の光路と、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する第２の光路とを別々に構成すると共に、これら第１の光路と、第２の光路とにおいて、それぞれレーザ光源３００Ａ又は３００Ｂの各光ファイバー３０１から投射されたレーザビームを、ビーム成形光学系３０２及び空間光変調器３１６（前述した図２２に示すレーザアニール装置における空間光変調器３１６と同等のもの）とを利用して所望のビーム強度の光ビームに変調するよう構成する。なお、この図２７に示すレーザを表裏両面から照射する手段におけるその他の構成は、前述した図２に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。
【０１１４】
このように構成した図２７に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、前述した図２、図２２及び図２６に示した各レーザを表裏両面から照射する手段の奏する作用、効果を合わせもつことが可能である。
【０１１５】
次に、図２８に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【０１１６】
この図２８に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３０００を用い、副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列又は複数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３００２を利用して構成する。なお、その他の構成は、前述した図２に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。
【０１１７】
ファイバアレイ光源３０００は、図１２（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。
【０１１８】
光ファイバ３１の出射端部は、図１２（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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
このような光ファイバは、例えば、図１３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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、ＧａＮ系半導体レーザから出射された波長４０５ｎｍのレーザ光では、クラッドの厚み｛（クラッド径−コア径）／２｝を８００ｎｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の１／２程度、通信用の１．５μｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約１／４にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を６０μｍと小さくすることができる。
【０１２４】
但し、光ファイバ３１のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも３〜４μｍ必要であることから、光ファイバ３１のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。
【０１２５】
レーザモジュール６４は、図１４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ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザ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。
【０１２６】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。なお、好適な波長範囲については後述する。
【０１２７】
上記の合波レーザ光源は、図１５及び図１６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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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ＧａＮ系半導体レーザ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。
【０１３０】
なお、図１６においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザ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。
【０１３１】
図１７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ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１７の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【０１３２】
一方、ＧａＮ系半導体レーザ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ＧａＮ系半導体レーザ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。
【０１３３】
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ｆ_１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【０１３４】
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ｆ_２＝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。
【０１３５】
このように構成されたファイバアレイ光源３０００では、合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザ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の各々は、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。
【０１３６】
本例では、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。即ち、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。
【０１３７】
各レーザモジュールにおいて、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、ＧａＮ系半導体レーザ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。
【０１３８】
ファイバアレイ光源３０００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。
【０１３９】
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１３．５ｍｍ^２（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）／ｍ^２）、光ファイバ１本当りの輝度は８（ＭＷ／ｍ^２）である。
【０１４０】
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０．３１２５ｍｍ^２（０．０２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は５７．６（ＭＷ／ｍ^２）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／ｍ^２）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。
【０１４１】
また、上述した図２８に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、主走査方向に沿って１列又は複数列に配列されたレーザ出射部からレーザビームを照射するように構成したファイバアレイ光源３０００の代わりに、複数のＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを光ファイバー内で合波させてから光ファイバーの出射端から出射するファイバ光源を複数有し、複数の光ファイバの出射端における発光点の各々をバンドル状（光ファイバーを束ねたものであって、円形、矩形、多角形等の種々の断面形状に束ねることができる）に配列したファイババンドル光源で構成し、このファイババンドル光源から出射されたレーザビームを、ビーム成形光学系３００２を利用して所望のビーム強度の光ビームに成形するように構成しても良い。
【０１４２】
また、図２８に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、レーザ光源３００としてファイバアレイ光源３０００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３００２を利用して構成する。
【０１４３】
よって、ファイバアレイ光源３０００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）３１６を設けたものと同様の作用を奏することも可能である。なお、その他の作用、効果は、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。
【０１４４】
次に、図２９に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【０１４５】
この図２９に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、レーザ光源としてファイバアレイ光源３０００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３００２を利用して構成する。
【０１４６】
これと共に、ビーム成形光学系３００２とビームスプリッター３０４との間に空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を配置して所望のビーム強度の光ビームに変調するよう構成する。なお、この図２９に示すレーザを表裏両面から照射する手段におけるその他の構成は、前述した図２に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。また、図２９に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、ファイバアレイ光源３０００を利用することによる作用及び効果以外は、前述した図２２に示すものと同様の作用、効果を奏する。
【０１４７】
次に、図３０に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【０１４８】
この図３０に示すレーザ折り返し照射手段では、２個のファイバアレイ光源３０００Ａ、３０００Ｂと、それぞれ対応するビーム成形光学系３００２を利用し、対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する第１の光路と、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する第２の光路とを別々に構成する。
【０１４９】
なお、この図３０に示すレーザを表裏両面から照射する手段におけるその他の構成は、前述した図２６に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。また、図３０に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、ファイバアレイ光源３０００を利用することによる作用及び効果以外は、前述した図２６に示すものと同様の作用、効果を奏する。
【０１５０】
次に、図３１に示す、レーザアニール装置におけるレーザを表裏両面から照射する手段の構成について説明する。
【０１５１】
この図３１に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、２個のファイバアレイ光源３０００Ａ、３０００Ｂと、それぞれ対応するビーム成形光学系３００２を利用し、対象物であるａ−Ｓｉ層の一方の面（例えば表面）からレーザビームを照射する第１の光路と、対象物であるａ−Ｓｉ層の他方の面（例えば裏面）からレーザビームを照射する第２の光路とを別々に構成する。
【０１５２】
これと共に、第１の光路と、第２の光路とにおける、ビーム成形光学系３０２とビームスプリッター３０４との間には、それぞれ空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を配置する。
【０１５３】
なお、この図３１に示すレーザを表裏両面から照射する手段におけるその他の構成は、前述した図２７に示すレーザを表裏両面から照射する手段と同等である。また、図３１に示すレーザを表裏両面から照射する手段では、ファイバアレイ光源３０００を利用することによる作用及び効果以外は、前述した図２７に示すものと同様の作用、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。
【０１５４】
図１に示すように、このレーザアニール装置では、アニールの対象物である基板１５０（基板１５０Ａでも同様）を表面に吸着した、アニールの対象物とレーザビームとを相対的に移動して走査する手段としてのステージ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（３００Ａ、３００Ｂ、３０００、３０００Ａ又は３０００Ｂ）が駆動制御されて、レーザアニール処理が開始される。
【０１５５】
また、この際、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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）３１６に送信して空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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）３１６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）３１６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。
【０１５６】
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１９及び図２０に例示するように帯状の照射済み領域が形成される。
【０１５７】
また、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６を備えるものでは、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、例えば、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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。
【０１５８】
ここで、図１８（Ａ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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１８（Ｂ）に示すように、空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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。
【０１５９】
空間光変調器（ＤＭＤ）３１６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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
このレーザアニール装置は、ガスレーザである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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
３）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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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３０００を用いた場合には、以下の１）〜３）の利点がある。
【０１６８】
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／ｃｍ^２〜７００ｍＪ／ｃｍ^２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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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３０００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。
【０１７２】
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、Ｐｒ^３＋が添加された固体レーザー結晶をＡｒレーザー等のガスレーザーによって励起するガスレーザー励起固体レーザー、Ｐｒ^３＋が添加された固体レーザー結晶をランプ励起固体レーザーのＳＨ光（第２高調波）によって励起する固体レーザ、Ｐｒ^３＋が添加された固体レーザー結晶を、青色領域のレーザービームを発するＳＨＧ（第２高調波発生）固体レーザーによって励起する固体レーザで構成しても良い。
【０１７３】
また、このレーザアニール装置におけるレーザ光源は、Ｐｒ^３＋が添加された固体レーザー結晶を、ＩｎＧａＮ系レーザーダイオード（活性層がＩｎＧａＮ系材料からなるレーザーダイオード）ＩｎＧａＮＡｓ系レーザーダイオード（活性層がＩｎＧａＮＡｓ系材料からなるレーザーダイオード）あるいはＧａＮＡｓ系レーザーダイオード（活性層がＧａＮＡｓ系材料からなるレーザーダイオード）によって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーで構成しても良い。
【０１７４】
さらに、このレーザアニール装置におけるレーザ光源は、Ｅｒ^３＋、Ｈｏ^３＋、Ｄｙ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｐｍ^３＋およびＮｄ^３＋のうちの少なくとも１つとＰｒ^３＋とが共ドープされた固体レーザー結晶を、ＧａＮ系レーザーダイオードすなわち、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮＡｓあるいはＧａＮＡｓからなる活性層を有するレーザーダイオードによって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーで構成し、波長４６５ 〜４９５ ｎｍの青色領域のレーザービームを発振させ、波長５１５〜５５５ ｎｍの緑色領域のレーザービームを発振させ、さらには、波長６００〜６６０ ｎｍの赤色領域のレーザービームを発振させるようにしても良い。
【０１７５】
また、Ｎｄ^３＋がドープされたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_２）、ｌｉＹＦ_４、ＹＶＯ_４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。
【０１７６】
または、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。
【０１７７】
【発明の効果】
本発明のレーザアニール装置によれば、レーザエネルギーを平均的にかつ無駄なく吸収させ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】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光を表裏両面から照射する手段によりアニール処理を行ったときのａ−Ｓｉ膜の厚さ方向に対する各温度分布の状態を示す説明図である。
【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レーザを表裏両面から照射する手段によりアニール処理を行ったときに、ａ−Ｓｉ膜の固液界面から結晶が成長する状態を例示する説明図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置でアニール処理を行ったときの効果と比較するために、ａ−Ｓｉ膜の片側の面からレーザ光を照射したときの温度分布の状態を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置でアニール処理を行ったときの効果と比較するために、ａ−Ｓｉ膜の片側の面からレーザ光を照射したときに、ａ−Ｓｉ膜の固液界面から結晶が成長する状態を例示する説明図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置でアニール処理を行ったときの効果と比較するために、ａ−Ｓｉ膜の片側の面からレーザ光を照射したときに、斜め方向に成長形成された結晶粒の状態を例示する説明図である。
【図９】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１０】（Ａ）及び（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図である。
【図１１】（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１２】（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１３】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図１４】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図１５】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図１６】図１５に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１７】図１６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１８】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図である。
【図１９】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２０】（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２１】（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、空間光変調器を利用して所望のビーム強度の光ビームに変調するアニール処理用の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における、空間光変調器を利用して変調された光ビームの状態を模式的に例示する説明図である。
【図２４】本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における、空間光変調器を利用して変調された光ビームでアニール処理したときの、溶融開始位置から固液界面ＬＳの位置までの溶融状態にある部分における温度勾配を例示する説明図である。
【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、空間光変調器を利用して変調された光ビームでアニール処理したときの、横方向結晶成長の状態を例示する説明図である。
【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、２個のレーザ光源を用いて、第１の光路と第２の光路とを別々にした構成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、２個のレーザ光源と、空間光変調器とを用いて、第１の光路と第２の光路とを別々にした構成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、ファイバアレイ光源を利用したアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図２９】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と、空間光変調器とを利用したアニール処理用の光路を示す光路図である。
【図３０】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、２個のファイバアレイ光源を用いて、第１の光路と第２の光路とを別々にした構成を示す光路図である。
【図３１】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、２個のファイバアレイ光源と、空間光変調器とを用いて、第１の光路と第２の光路とを別々にした構成を示す光路図である。
【図３２】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２個の光源からそれぞれ異なる波長のレーザ光を照射してアニール処理を行う手段を説明するために、波長４６０ｎｍのレーザ光をａ−Ｓｉ膜の片側の面から照射したときの膜内吸収エネルギー分布を示す説明図である。
【図３３】（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２個の光源からそれぞれ４６０ｎｍの光ビームと、４００ｎｍの光ビームとを表裏両面に別途照射してアニール処理を行ったときの各膜内吸収エネルギー分布を示す説明図であり、（Ｂ）は、これと比較するために、４００ｎｍの光ビームを表裏両面に照射してアニール処理を行ったときの各膜内吸収エネルギー分布を示す説明図である。
【図３４】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３５】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３６】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３７】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３８】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３９】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：ＹＶＯ_４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 レーザ光源
３００Ｂ レーザ光源
３０１ 光ファイバー
３０２ ビーム成形光学系
３０４ ビームスプリッター
３０６ ミラー
３０８ 投影レンズ
３１０ ミラー
３１２ ミラー
３１４ 投影レンズ
３１６ 空間光変調器
３０００ ファイバアレイ光源
３０００Ａ ファイバアレイ光源
３０００Ｂ ファイバアレイ光源
３００２ ビーム成形光学系

Claims (6)

1. ＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザビームから２分割された一方のレーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させる第１の光路と、
   前記膜状のアニールの対象物に対して、一方の面から投射された前記一方のレーザビームの照射位置における他方の面より、前記レーザ光源から出射された前記レーザビームから２分割された他方のレーザビームを投射させる第２の光路と、
   前記アニールの対象物と、前記レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有することを特徴とするレーザアニール装置。
2. 少なくとも一方がＧａＮ系半導体レーザで出射したレーザビームを出射するレーザ光源として構成されている、第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源と、
   前記第１のレーザ光源から出射された前記レーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させる第１の光路と、
   前記膜状のアニールの対象物に対して、一方の面から投射された前記第１のレーザ光源から出射された前記レーザビームの照射位置における他方の面より、前記第２のレーザ光源から出射された前記レーザビームを投射させる第２の光路と、
   前記アニールの対象物と、前記レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有することを特徴とするレーザアニール装置。
3. 前記第１のレーザ光源から出射された第１の波長の前記レーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させたときの第１の膜内吸収エネルギー分布と、前記第２のレーザ光源から出射された第２の所定波長の前記レーザビームを膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させたときの第２の膜内吸収エネルギー分布と、のエネルギー分布の和である膜内の全吸収エネルギー分布を、前記アニールの対象物の膜厚方向に対して均一化するように、前記第１のレーザ光源から出射される前記レーザビームの第１の波長を選択し、かつ前記第２のレーザ光源から出射される前記レーザビームの第２の波長を選択して設定されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザアニール装置。
4. ＧａＮ系半導体レーザで出射した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膜状のアニールの対象物に対して一方の面から投射させる第１の光路と、
   前記膜状のアニールの対象物に対して、一方の面から投射された前記レーザビームの照射位置に、他方の面から前記レーザビームを投射させる第２の光路と、前記アニールの対象物と、前記レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有するレーザアニール装置において、
   前記膜状のアニールの対象物が前記レーザビームを吸収するときの吸収係数をα（λ）とし、前記アニールの対象物の膜厚をｄとしたときに、α（λ）・ｄ≦４．６の条件を満たす波長のレーザビームを出射するよう前記レーザ光源を構成したことを特徴とするレーザアニール装置。
5. 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に対して一方の面から投射させる第１の光路と、
   前記アニールの対象物に対して、一方の面から投射された前記レーザビームの照射位置に、他方の面から前記レーザビームを投射させる第２の光路と、
   前記アニールの対象物と、前記レーザビームとを相対的に移動して走査する手段と、を有するレーザアニール装置において、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームにおける光エネルギーの分布を、アニール対象物の走査方向前端側で強く、走査方向後端側に行くのに従って弱くするよう光エネルギーの強度に勾配を持たせる分布としたことを特徴とするレーザアニール装置。
6. 前記レーザ光源が、ファイバアレイ光源として構成されていることを特徴とする請求項１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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