JP2005129889A - Beam homogenizer, laser irradiator, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a beam homogenizer capable of forming a rectangular shaped beam spot whose energy distribution in the long side direction is uniform on a surface to be irradiated without using optical lens to which high manufacturing accuracy is required. <P>SOLUTION: In a beam homogenizer, a beam spot on a surface to be irradiated is formed in a rectangular shape having an aspect ratio of ≥ 10, preferably, ≥ 100. The beam homogenizer has an optical waveguide for uniformizing the rectangular shaped energy distribution in the long side direction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は被照射面におけるビームスポットをある特定の領域で均一化するビームホモジナイザに関する。また、前記ビームスポットを前記被照射面に照射するレーザ照射装置に関する。さらには、前記レーザ照射装置を用いて形成した結晶性半導体膜を用いた半導体装置の作製方法に関する。   The present invention relates to a beam homogenizer that makes a beam spot on an irradiated surface uniform in a specific region. The present invention also relates to a laser irradiation apparatus that irradiates the irradiated surface with the beam spot. Further, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a crystalline semiconductor film formed using the laser irradiation apparatus.

近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜(単結晶ではない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜)、すなわち、単結晶ではない半導体膜(非単結晶半導体膜と呼ぶ)に対し、レーザアニールを施して、結晶化及び結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。   In recent years, an amorphous semiconductor film or a crystalline semiconductor film (not a single crystal, a semiconductor film having crystallinity such as polycrystalline or microcrystal) formed over an insulating substrate such as glass, that is, a semiconductor that is not a single crystal A technique for performing laser annealing on a film (referred to as a non-single-crystal semiconductor film) to improve crystallization and crystallinity has been widely studied. A silicon film is often used as the semiconductor film.

ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作製できる利点を持っている。このため、上記研究が盛んに行われている。結晶化に好んでレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり変えずに非単結晶半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。   A glass substrate is cheaper and more workable than a quartz substrate that has been frequently used in the past, and has an advantage that a large-area substrate can be easily manufactured. For this reason, the above research has been actively conducted. Lasers are preferred for crystallization because the glass substrate has a low melting point. The laser can give high energy only to the non-single-crystal semiconductor film without significantly changing the temperature of the substrate.

レーザアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有する。そのため、この結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)が盛んに利用されている。例えば、一枚のガラス基板上に、画素用と駆動回路用のTFTを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。前記結晶性珪素膜は多数の結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。   A crystalline silicon film formed by laser annealing has high mobility. Therefore, a thin film transistor (TFT) using this crystalline silicon film is actively used. For example, it is actively used for a monolithic liquid crystal electro-optical device or the like in which TFTs for pixels and driving circuits are formed on a single glass substrate. Since the crystalline silicon film is made of a large number of crystal grains, it is called a polycrystalline silicon film or a polycrystalline semiconductor film.

また、エキシマレーザ等の、出力の大きいパルス発振式のレーザビームを、被照射面において、数cm角の四角いスポットや、長さ10cm以上の線状となるように光学系にて整形することができる(例えば、特許文献1)。このようなビームスポットの照射位置を被照射面に対して相対的に走査させて、レーザアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。   Further, a pulse oscillation type laser beam having a high output, such as an excimer laser, can be shaped by an optical system so as to be a square spot of several cm square or a linear shape having a length of 10 cm or more on the irradiated surface. (For example, Patent Document 1). A method of performing laser annealing by scanning the irradiation position of such a beam spot relative to the surface to be irradiated is preferable because it is excellent in mass productivity and industrially excellent.

特に、線状のビームスポットを用いると、前後左右の走査が必要な点状のビームスポットを用いた場合とは異なり、線状のビームスポットの長幅方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザビームを照射することができるため、高い量産性が得られる。ここで線状のビームスポットとはアスペクト比が大きい長方形状のビームスポットとする。長幅方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザアニールにはパルス発振のエキシマレーザのビームスポットを適当な光学系で整形した線状のビームスポットを使用することが主流になりつつある。   In particular, when a linear beam spot is used, unlike in the case of using a spot beam spot that requires scanning in the front, rear, left, and right, irradiation is performed only in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the linear beam spot. Since the entire surface can be irradiated with a laser beam, high productivity can be obtained. Here, the linear beam spot is a rectangular beam spot having a large aspect ratio. The reason for scanning in the direction perpendicular to the long width direction is that it is the most efficient scanning direction. Due to this high productivity, it is becoming more common for laser annealing to use a linear beam spot obtained by shaping a beam spot of a pulsed excimer laser with an appropriate optical system.

図6に、被照射面においてビームスポットの断面形状を線状に加工するための光学系の例を示す。図6中に示す光学系はきわめて一般的なものである。前記光学系は、ビームスポットの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、被照射面におけるビームスポットのエネルギー均一化を果たすものである。一般にビームのエネルギーの均一化を行う光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。図6に示した光学系もビームホモジナイザである。   FIG. 6 shows an example of an optical system for processing the cross-sectional shape of the beam spot into a linear shape on the irradiated surface. The optical system shown in FIG. 6 is very general. The optical system not only converts the cross-sectional shape of the beam spot into a linear shape, but also at the same time achieves uniform energy of the beam spot on the irradiated surface. In general, an optical system that makes beam energy uniform is called a beam homogenizer. The optical system shown in FIG. 6 is also a beam homogenizer.

まず、図6(a)の側面図について説明する。レーザ発振器1201から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ1202aと1202bにより、前記レーザビームのスポットを1方向に分割する。前記方向を、縦方向と呼ぶことにする。前記縦方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、4分割となっている。これらの分割されたスポットは、シリンドリカルレンズ1204により、いったん1つのスポットにまとめられる。再び分離したスポットはミラー1207で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ1208により、被照射面1209にて再び1つのスポットに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、2枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状に整形されたビームスポットの縦方向のエネルギー均一化がなされ、縦方向の長さが決定される。   First, the side view of FIG. The laser beam emitted from the laser oscillator 1201 divides the laser beam spot in one direction by cylindrical lens arrays 1202a and 1202b. The direction will be referred to as the vertical direction. The vertical direction is bent in the direction of light bent by the mirror when the mirror enters the middle of the optical system. In this configuration, there are four divisions. These divided spots are once combined into one spot by the cylindrical lens 1204. The spot separated again is reflected by the mirror 1207 and then condensed again into one spot on the irradiated surface 1209 by the doublet cylindrical lens 1208. The doublet cylindrical lens refers to a lens composed of two cylindrical lenses. Thereby, the energy in the vertical direction of the beam spot shaped linearly is made uniform, and the length in the vertical direction is determined.

次に、図6(b)の平面図について説明する。レーザ発振器1201から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ1203により、前記レーザビームのスポットを、前記縦方向に対し直角方向に分割する。前記直角方向を、横方向と呼ぶことにする。前記横方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、7分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ1205にて、7分割された前記スポットは被照射面1209にて1つに合成される。ミラー1207以降が破線で示されているが、前記破線は、ミラー1207を配置しなかった場合の正確な光路とレンズや被照射面の位置を示している。これにより、線状に整形されたビームスポットの横方向のエネルギー分布の均一化がなされ、横方向の長さが決定される。   Next, the plan view of FIG. 6B will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 1201 divides the spot of the laser beam in a direction perpendicular to the vertical direction by a cylindrical lens array 1203. The perpendicular direction is referred to as a lateral direction. The horizontal direction is bent in the direction of light bent by the mirror when the mirror enters the middle of the optical system. In this configuration, there are seven divisions. After that, the spots divided into seven by the cylindrical lens 1205 are combined into one at the irradiated surface 1209. The mirror 1207 and the subsequent lines are indicated by broken lines. The broken line indicates the exact optical path and the position of the lens and the irradiated surface when the mirror 1207 is not disposed. Thereby, the horizontal energy distribution of the beam spot shaped into a linear shape is made uniform, and the length in the horizontal direction is determined.

上述したように、シリンドリカルレンズアレイ1202aとシリンドリカルレンズアレイ1202bとシリンドリカルレンズアレイ1203とがレーザビームのスポットを分割するレンズとなる。これらの分割数により、得られる線状のビームスポットのエネルギー分布の均一性が決まる。   As described above, the cylindrical lens array 1202a, the cylindrical lens array 1202b, and the cylindrical lens array 1203 are lenses that divide the laser beam spot. The uniformity of the energy distribution of the obtained linear beam spot is determined by the number of divisions.

上記の諸レンズは、XeCl エキシマレーザに対応するため合成石英製である。また、エキシマレーザをよく透過するように表面にコーティングを施してあり、これにより、レンズ1つあたりのエキシマレーザの透過率は99%以上となる。   The above lenses are made of synthetic quartz in order to be compatible with the XeCl excimer laser. In addition, the surface is coated so as to transmit the excimer laser well, whereby the transmittance of the excimer laser per lens becomes 99% or more.

上記の構成で整形された線状のビームスポットをそのビームスポットの線幅方向に徐々にずらしながら重ねて照射する。そうすると、例えば非単結晶珪素膜全面に対しレーザアニールを施して結晶化及び結晶性を向上させることができる。   The linear beam spot shaped in the above configuration is irradiated while being gradually shifted in the line width direction of the beam spot. Then, for example, laser annealing can be performed on the entire surface of the non-single-crystal silicon film to improve crystallization and crystallinity.

次に、レーザビームの照射対象となる半導体膜の典型的な作製方法を示す。まず基板として、厚さ0.7mm、5インチ角のガラス基板を用いる。基板にプラズマCVD装置を用いて、厚さ200nm程度のSiO2膜(酸化珪素膜)を成膜し、SiO2膜表面に厚さ50nm程度の非晶質珪素膜(以下、a-Si膜と表記する)を成膜する。基板を、温度500℃の窒素雰囲気に1時間さらすと、膜中の水素濃度が低減される。これにより、膜の耐レーザ性が著しく向上する。 Next, a typical method for manufacturing a semiconductor film to be irradiated with a laser beam is described. First, a glass substrate having a thickness of 0.7 mm and a 5-inch square is used as the substrate. A SiO 2 film (silicon oxide film) having a thickness of about 200 nm is formed on the substrate using a plasma CVD apparatus, and an amorphous silicon film (hereinafter referred to as an a-Si film) having a thickness of about 50 nm is formed on the surface of the SiO 2 film. (Denoted) is formed. When the substrate is exposed to a nitrogen atmosphere at a temperature of 500 ° C. for 1 hour, the hydrogen concentration in the film is reduced. This significantly improves the laser resistance of the film.

レーザ発振器は、XeCl エキシマレーザ(波長308nm、パルス幅30ns)を使用する。レーザビームのスポットサイズは、レーザビームの出口で、15×35mm(共に半値幅)である。レーザビームの出口は、レーザ発振器からレーザビームが出た直後における、レーザビームの進行方向に垂直な平面で定義する。   The laser oscillator uses a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 30 ns). The spot size of the laser beam is 15 × 35 mm (both half-value width) at the exit of the laser beam. The exit of the laser beam is defined by a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam immediately after the laser beam is emitted from the laser oscillator.

エキシマレーザの発生するレーザビームの形状は一般的に長方形状であり、アスペクト比で表現すると、1〜5位の範囲に入る。レーザビームのスポットの強度は、レーザビームのスポットの中央ほど強い、ガウシアンの分布を示す。前記レーザビームのスポットサイズは、図6に示した光学系により、エネルギー分布が一様のスポット形状、例えば300mm×0.4mmの線状のビームスポットに変換される。   The shape of the laser beam generated by the excimer laser is generally rectangular and falls within the range of 1 to 5 when expressed in terms of aspect ratio. The intensity of the laser beam spot shows a Gaussian distribution that is stronger toward the center of the laser beam spot. The spot size of the laser beam is converted into a spot shape with a uniform energy distribution, for example, a linear beam spot of 300 mm × 0.4 mm, by the optical system shown in FIG.

上述の半導体膜に対しレーザビームを照射する場合、重ね合わせのピッチは線状のビームスポットの短幅(半値幅)の1/10前後が最も適当であった。これにより、前記半導体膜内における結晶性の均一性を向上させることができる。上記の例では、前記半値幅が0.4mmであったので、エキシマレーザのパルス周波数を300Hz、走査速度を10mm/sとし、レーザビームを照射する。このとき、レーザビームの被照射面におけるエネルギー密度は450mJ/cm2とする。これまで述べた方法は線状のビームスポットを使って半導体膜を結晶化するために用いられる極めて一般的なものである。 In the case of irradiating the above-described semiconductor film with a laser beam, the overlapping pitch is most suitable around 1/10 of the short width (half-value width) of the linear beam spot. Thereby, the uniformity of crystallinity in the semiconductor film can be improved. In the above example, since the half width is 0.4 mm, the excimer laser pulse frequency is 300 Hz, the scanning speed is 10 mm / s, and the laser beam is irradiated. At this time, the energy density on the surface irradiated with the laser beam is set to 450 mJ / cm 2 . The method described so far is a very general method used for crystallizing a semiconductor film using a linear beam spot.

特開平9−234579号公報JP-A-9-234579

上記、シリンドリカルレンズアレイの製作には、高い加工精度が要求される。   The manufacturing of the cylindrical lens array requires a high processing accuracy.

シリンドリカルレンズアレイはシリンドリカルレンズを曲率方向に並べたレンズである。ここで、曲率方向とはシリンドリカルレンズの円筒面の母線と垂直な方向とする。シリンドリカルレンズアレイには、構成するシリンドリカルレンズ間に接合部が必ず存在する。前記接合部はシリンドリカルレンズとしての曲面を有していないため、前記接合部に入射したレーザビームはシリンドリカルレンズの作用を受けずに透過する。前記作用を受けずに被照射面に到達するレーザビームは、被照射面における長方形状のビームスポットのエネルギー分布の不均一性の原因となりうる。   The cylindrical lens array is a lens in which cylindrical lenses are arranged in a curvature direction. Here, the curvature direction is a direction perpendicular to the generatrix of the cylindrical surface of the cylindrical lens. In the cylindrical lens array, there is always a junction between the cylindrical lenses constituting the cylindrical lens array. Since the junction does not have a curved surface as a cylindrical lens, the laser beam incident on the junction is transmitted without being affected by the cylindrical lens. A laser beam that reaches the irradiated surface without receiving the above action can cause non-uniformity in the energy distribution of the rectangular beam spot on the irradiated surface.

また、前記シリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズはすべて同じ精度で製作されていなければならない。前記シリンドリカルレンズが異なる曲率を持っていれば、シリンドリカルレンズアレイによって分割されたレーザビームは集光レンズによっても、被照射面の同じ位置に重ね合わされない。つまり、被照射面における長方形状のビームスポットでエネルギーの減衰する領域が増加する。これは、エネルギーの利用効率の低下を招く。   In addition, all the cylindrical lenses constituting the cylindrical lens array must be manufactured with the same accuracy. If the cylindrical lens has a different curvature, the laser beam divided by the cylindrical lens array is not superimposed on the same position on the irradiated surface by the condenser lens. That is, the area where energy is attenuated by the rectangular beam spot on the irradiated surface increases. This leads to a decrease in energy use efficiency.

被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布の不均一性の原因は、光学系を構成するシリンドリカルレンズアレイの構造的な問題及び製作精度にある。つまり、不均一性の原因の一つは、前記シリンドリカルレンズアレイによって分割されたレーザビームがすべて同じ位置に重ね合わされていない点にある。   The cause of the non-uniformity of the energy distribution of the beam spot on the irradiated surface lies in the structural problem and manufacturing accuracy of the cylindrical lens array constituting the optical system. That is, one of the causes of the non-uniformity is that all the laser beams divided by the cylindrical lens array are not superimposed at the same position.

さらに、被照射面において長方形の長辺方向のエネルギー分布が不均一である長方形状のビームスポットを半導体膜に照射し走査させた場合、半導体膜上に前記不均一な分布を反映した結晶性の不均一性が生じる。前記結晶性の不均一性は半導体膜の電気移動度などの特性の不均一性と同期する。例えば前記半導体膜上を用いて形成されるTFTの電気特性のばらつきとなって現われ、前記TFTを用いたパネル上に明暗の模様を表示する。   Further, when the semiconductor film is irradiated with a rectangular beam spot whose energy distribution in the long side direction of the rectangle is non-uniform on the irradiated surface and scanned, the crystallinity reflecting the non-uniform distribution on the semiconductor film is obtained. Inhomogeneity occurs. The non-uniformity of crystallinity is synchronized with the non-uniformity of characteristics such as the electric mobility of the semiconductor film. For example, it appears as variations in electrical characteristics of TFTs formed using the semiconductor film, and a light and dark pattern is displayed on a panel using the TFTs.

本発明では、上記問題を鑑みたものであり、高い製作精度が要求される光学レンズを用いることなく、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能なビームホモジナイザを提供する。また、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを有するレーザ光を照射することが可能なレーザ照射装置を提供する。さらには、基板面内の結晶性の均一性を向上させ、動作特性の高いTFTを生産することが可能な半導体装置の作製方法を提供する。   In the present invention, in view of the above problems, a rectangular beam spot having a uniform energy distribution in the long side direction can be formed on the irradiated surface without using an optical lens that requires high manufacturing accuracy. A possible beam homogenizer is provided. In addition, a laser irradiation apparatus capable of irradiating a laser beam having a rectangular beam spot with a uniform energy distribution in the long side direction is provided. Furthermore, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, which can improve the uniformity of crystallinity in a substrate surface and produce a TFT having high operating characteristics.

本発明は、上記の長方形状のビームスポットを形成する光学系において、被照射面における長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布を均一化する光学系として、光導波路を用いるものである。光導波路とは、放射光を一定領域に閉じ込め、そのエネルギーの流れを経路の軸に平行に案内して伝送する能力を持つ回路である。   The present invention uses an optical waveguide as an optical system for uniforming the energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot on the irradiated surface in the optical system for forming the rectangular beam spot. An optical waveguide is a circuit that has the capability of confining radiated light in a certain region and guiding and transmitting the energy flow parallel to the axis of the path.

本明細書が開示するビームホモジナイザは、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が10以上、好ましくは100以上の長方形状にするためのビームホモジナイザであって、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を有することを特徴とするものである。   The beam homogenizer disclosed in this specification is a beam homogenizer for making a beam spot on an irradiated surface into a rectangular shape with an aspect ratio of 10 or more, preferably 100 or more, and has an energy distribution in a long side direction of the rectangle. It is characterized by having a uniform optical waveguide.

本発明において、ビームホモジナイザに光導波路を用いる理由は以下の通りである。光導波路にレーザビームを入射すると、光導波路内においてレーザビームは反射を繰り返し、射出面に至る。つまり光導波路に入射するレーザビームは、折りたたまれるように、同じ位置である射出面に重ね合わされることになる。よって、光導波路に入射されたレーザビームは分割され、分割されたレーザビームを同じ位置に重ね合わされることと同様の効果を受けることとなり、レーザビームが重ね合わされた位置である射出面においてレーザビームのエネルギー分布が均一化される。   In the present invention, the reason why the optical waveguide is used for the beam homogenizer is as follows. When a laser beam is incident on the optical waveguide, the laser beam repeatedly reflects in the optical waveguide and reaches the exit surface. That is, the laser beam incident on the optical waveguide is superimposed on the exit surface at the same position so as to be folded. Therefore, the laser beam incident on the optical waveguide is divided and is subjected to the same effect as when the divided laser beams are superimposed at the same position, and the laser beam is emitted at the exit surface where the laser beam is superimposed. The energy distribution is made uniform.

本発明の構成は、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が10以上、好ましくは100以上の長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路と、被照射面において、光導波路から射出される光を長方形状の長辺方向に集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズを有することを特徴とするビームホモジナイザである。   The configuration of the present invention is a beam homogenizer for forming a beam spot on an irradiated surface in a rectangular shape having an aspect ratio of 10 or more, preferably 100 or more, and uniformizes the energy distribution in the long side direction of the rectangle. A beam homogenizer having an optical waveguide and one or a plurality of cylindrical lenses for condensing light emitted from the optical waveguide in a long side direction of a rectangular shape on an irradiated surface.

本発明の他の構成は、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が10以上、好ましくは100以上の長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、長方形状の短辺方向のエネルギー分布を被照射面において均一化する手段と、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路とを有し、手段は少なくともシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするビームホモジナイザである。   Another configuration of the present invention is a beam homogenizer for forming a beam spot on a surface to be irradiated into a rectangular shape having an aspect ratio of 10 or more, preferably 100 or more, and has an energy distribution in the short side direction of the rectangle. The beam homogenizer includes means for making uniform on the irradiation surface and an optical waveguide for making the energy distribution in the long side direction of a rectangular shape uniform, and the means has at least a cylindrical lens array.

本発明の他の構成は、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が10以上、好ましくは100以上の長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路と、長方形状の短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路とを有することを特徴とするビームホモジナイザである。   Another configuration of the present invention is a beam homogenizer for forming a beam spot on an irradiated surface in a rectangular shape having an aspect ratio of 10 or more, preferably 100 or more, and has a uniform energy distribution in the long side direction of the rectangle. It is a beam homogenizer characterized by having an optical waveguide to be converted and an optical waveguide to make the energy distribution in the rectangular short side direction uniform.

上記のビームホモジナイザの発明の構成において、光導波路は向い合う2つの反射面を有することを特徴としている。   In the above-mentioned configuration of the invention of the beam homogenizer, the optical waveguide has two reflecting surfaces facing each other.

なお、上記光導波路として、ライトパイプを用いることができる。ライトパイプとは、通常、反射によって一端から他端に光を送るためのものであり、円錐形、ピラミッド形、円柱形、角柱形などの形状である。なお、光伝送にはミラーによる反射を用いてもよく、向い合う2つの反射面を有するものなどが考えられる。   A light pipe can be used as the optical waveguide. The light pipe is usually for transmitting light from one end to the other end by reflection, and has a shape such as a cone, a pyramid, a cylinder, or a prism. In addition, the reflection by a mirror may be used for optical transmission, and what has two reflective surfaces which face each other is considered.

本明細書が開示するレーザ照射装置は、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が10以上、好ましくは100以上の長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザとを有し、ビームホモジナイザは、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を有することを特徴とするレーザ照射装置である。   The laser irradiation apparatus disclosed in this specification is a laser irradiation apparatus having a rectangular shape with an aspect ratio of a beam spot on an irradiated surface of 10 or more, preferably 100 or more, and includes a laser oscillator and a beam homogenizer. The beam homogenizer is a laser irradiation apparatus characterized by having an optical waveguide that makes the energy distribution in the long side direction of a rectangular shape uniform.

本発明の他の構成は、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が10以上、好ましくは100以上の長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザとを有し、ビームホモジナイザは、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路と、長方形状の短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路とを有することを特徴とするレーザ照射装置である。   Another configuration of the present invention is a laser irradiation apparatus having a rectangular shape with an aspect ratio of a beam spot on an irradiated surface of 10 or more, preferably 100 or more, which includes a laser oscillator and a beam homogenizer, and a beam homogenizer. Is a laser irradiation apparatus having an optical waveguide that equalizes the energy distribution in the long side direction of the rectangular shape and an optical waveguide that equalizes the energy distribution in the short side direction of the rectangular shape.

上記のレーザ照射装置の発明の構成において、光導波路は向い合う2つの反射面を有する。   In the above-described configuration of the laser irradiation apparatus, the optical waveguide has two reflecting surfaces facing each other.

なお、上記光導波路として、ライトパイプを用いることができる。   A light pipe can be used as the optical waveguide.

上記のレーザ照射装置の発明の構成において、レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、GdVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴としている。 In the above-described configuration of the laser irradiation apparatus, the laser oscillator is any one of an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a GdVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser.

上記のレーザ照射装置の発明の構成において、レーザ照射装置は、ビームスポットの被照射体をビームスポットに対し相対的に移動させる移動ステージを有することを特徴とし、また、被照射体をステージに運搬する搬送装置を有することを特徴とする。   In the above-described configuration of the laser irradiation apparatus, the laser irradiation apparatus includes a moving stage that moves the irradiated object of the beam spot relative to the beam spot, and transports the irradiated object to the stage. It has the conveyance apparatus which performs.

本発明が開示する半導体装置の作製方法は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発生させたレーザビームを、非単結晶半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及び光導波路を用いて、被照射面におけるアスペクト比が10以上、好ましくは100以上である長方形状のエネルギー分布の均一なビームスポットに整形し、ビームスポットの位置を非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、シリンドリカルレンズアレイは長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、光導波路は長方形状のビームスポットの長辺方向に作用することを特徴としている。   A manufacturing method of a semiconductor device disclosed in the present invention includes a step of forming a non-single-crystal semiconductor film on a substrate, and a laser beam generated by a laser oscillator using a non-single-crystal semiconductor film as an irradiated surface to form a cylindrical lens array And an optical waveguide to shape the beam spot into a uniform beam spot having a rectangular energy distribution with an aspect ratio of 10 or more, preferably 100 or more on the irradiated surface, and the position of the beam spot with respect to the non-single crystal semiconductor film. A step of laser annealing the non-single crystal semiconductor film while relatively moving, the cylindrical lens array acting in the short side direction of the rectangular beam spot, and the optical waveguide being the long side of the rectangular beam spot It is characterized by acting in the direction.

本発明の他の構成は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発生させたレーザビームを、非単結晶半導体膜を被照射面として、複数の光導波路を用いて被照射面におけるアスペクト比が10以上、好ましくは100以上である長方形状のエネルギー分布の均一なビームスポットに整形し、ビームスポットの位置を非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、複数の光導波路の内、少なくともひとつの光導波路は長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、少なくともひとつの光導波路は長方形状のビームスポットの短辺方向に作用することを特徴としている。   Another structure of the present invention includes a step of forming a non-single-crystal semiconductor film on a substrate and a laser beam generated by a laser oscillator using a plurality of optical waveguides with the non-single-crystal semiconductor film as an irradiated surface. While shaping to a rectangular beam distribution with a rectangular energy distribution having an aspect ratio of 10 or more, preferably 100 or more, on the surface to be irradiated, and moving the position of the beam spot relative to the non-single crystal semiconductor film, A step of laser annealing the non-single crystal semiconductor film, and at least one of the plurality of optical waveguides acts in a long side direction of the rectangular beam spot, and at least one of the optical waveguides has a rectangular shape. It is characterized by acting in the short side direction of the beam spot.

なお、上記光導波路として、ライトパイプを用いることができる。 A light pipe can be used as the optical waveguide.

上記の半導体装置の作製方法の発明の構成において、レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、GdVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴としている。 In the above-described structure of the method for manufacturing a semiconductor device, the laser oscillator is any one of an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a GdVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser.

本発明が開示するレーザ照射装置は、光導波路を具備したビームホモジナイザ有することを特徴とする。光導波路は、向い合う2つの反射面を有し、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を被照射面において均一化することができる。   The laser irradiation apparatus disclosed in the present invention includes a beam homogenizer provided with an optical waveguide. The optical waveguide has two reflecting surfaces facing each other, and the energy distribution in the long side direction of the rectangular shape can be made uniform on the irradiated surface.

本発明が開示する光導波路を用いた長方形状のビームスポットを形成するビームホモジナイザを用いれば、高い製作精度が要求される光学レンズを用いることなく、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能となる。また、光導波路は、長方形状の短辺方向に作用し、その方向におけるエネルギー分布も被照射面において均一化することができるので、より好ましい。このビームホモジナイザを用いたレーザ照射装置から射出される長方形状のビームスポットを、半導体膜に長方形状の短辺方向に走査すると、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性不均一性を抑制することができ、半導体膜面内の結晶性の均一性を向上させることができる。また本発明を、低温ポリシリコンTFTの量産ラインに適用すれば、動作特性の高い特性の揃ったTFTを効率良く生産することができる。さらに、低温ポリシリコンを、液晶表示装置や、有機EL素子に代表される発光素子を用いた発光装置に適用すると、表示むらの極めて少ない表示装置を作製することが可能となる。   If a beam homogenizer that forms a rectangular beam spot using an optical waveguide disclosed in the present invention is used, a rectangular shape with a uniform energy distribution in the long side direction is used without using an optical lens that requires high manufacturing accuracy. A beam spot can be formed on the irradiated surface. In addition, the optical waveguide is more preferable because it acts in the rectangular short-side direction, and the energy distribution in that direction can be made uniform on the irradiated surface. When a rectangular beam spot emitted from a laser irradiation device using this beam homogenizer is scanned in the short side direction of the rectangle on the semiconductor film, the crystallinity non-uniformity due to the non-uniformity of the energy distribution of the beam spot And the uniformity of crystallinity in the semiconductor film surface can be improved. Further, if the present invention is applied to a mass production line for low-temperature polysilicon TFTs, TFTs with high operating characteristics can be efficiently produced. Further, when low-temperature polysilicon is applied to a liquid crystal display device or a light-emitting device using a light-emitting element typified by an organic EL element, a display device with extremely small display unevenness can be manufactured.

最初に、図1を用いて、光導波路によるビームスポットのエネルギー分布を均一化の方法を説明する。まず、図1(a)の平面図について説明する。向い合う2つの反射面102a、102bを有する光導波路102、被照射面103を用意し、レーザビームを紙面左側から入射させる。前記レーザビームは、光導波路102が存在するときのレーザビームを実線101aで、光導波路102が存在しないときのレーザビームを破線101bで示す。光導波路102が存在しないとき紙面左側から入射するレーザビームは、破線101bで示したように、被照射面103a、103b及び103cの領域に到達する。 First, a method for equalizing the energy distribution of the beam spot by the optical waveguide will be described with reference to FIG. First, the plan view of FIG. 1A will be described. An optical waveguide 102 having two reflecting surfaces 102a and 102b facing each other and an irradiated surface 103 are prepared, and a laser beam is incident from the left side of the drawing. The laser beam when the optical waveguide 102 exists is indicated by a solid line 101a, and the laser beam when the optical waveguide 102 does not exist is indicated by a broken line 101b. When the optical waveguide 102 does not exist, the laser beam incident from the left side of the drawing reaches the areas of the irradiated surfaces 103a, 103b, and 103c as indicated by the broken line 101b.

一方、光導波路102が存在するときには、レーザビーム101aで示したように、レーザビームは光導波路102の反射面によって反射され、すべてのレーザビームが被照射面103bの領域に到達する。つまり、光導波路102が存在するときには、光導波路102が存在しないときに被照射面103a及び103cの領域に到達するレーザビームが、すべて被照射面103bの領域に到達する。従って、光導波路102にレーザビームを入射すると、前記光導波路内において反射を繰り返し、射出口に至る。つまり入射するレーザビームが折りたたまれるように、同じ位置である被照射面103bに重ね合わされることになる。この例において、光導波路がない場合の被照射面103での光の拡がり103a、103b、103cをあわせた長さをAとし、光導波路がある場合の被照射面103での光の拡がり103bの長さをBとしたとき、A/Bが従来技術で述べたホモジナイザの分割数に相当する。このように、入射するレーザビームを分割し、分割されるレーザビームを同じ位置に重ね合わせることで、重ね合わされた位置におけるレーザビームのエネルギー分布は均一化される。   On the other hand, when the optical waveguide 102 exists, the laser beam is reflected by the reflecting surface of the optical waveguide 102 as shown by the laser beam 101a, and all the laser beams reach the region of the irradiated surface 103b. That is, when the optical waveguide 102 exists, all the laser beams that reach the irradiated surfaces 103a and 103c when the optical waveguide 102 does not exist reach the irradiated surface 103b. Accordingly, when a laser beam is incident on the optical waveguide 102, reflection is repeated in the optical waveguide and reaches the exit. That is, it is superimposed on the irradiated surface 103b at the same position so that the incident laser beam is folded. In this example, the length of the light spread 103a, 103b, 103c on the irradiated surface 103 when there is no optical waveguide is A, and the light spread 103b on the irradiated surface 103 when there is an optical waveguide. When the length is B, A / B corresponds to the number of divisions of the homogenizer described in the prior art. In this way, by dividing the incident laser beam and superimposing the divided laser beams on the same position, the energy distribution of the laser beam at the superimposed position is made uniform.

ホモジナイザは一般的にレーザビームの分割数が多くなるほど、分割されたレーザビームが重ね合わされた位置でのエネルギー分布の均一性は高くなる。上記光導波路102において、レーザビームの分割数を多くするには、上記光導波路102内での反射回数を多くすることで可能となる。つまり、光導波路が有する2つの反射面のレーザビーム入射方向における長さを長くするとよい。また、向い合う反射面の間隔を小さくすることでも分割数を大きくすることができる。あるいは、入射するレーザビームのNA(開口数)を大きくすることによっても分割数を大きくすることができる。   In general, the homogenizer has a higher uniformity of energy distribution at a position where the divided laser beams are superimposed as the number of divided laser beams is increased. In the optical waveguide 102, the number of divisions of the laser beam can be increased by increasing the number of reflections in the optical waveguide 102. That is, it is preferable to increase the length of the two reflecting surfaces of the optical waveguide in the laser beam incident direction. Also, the number of divisions can be increased by reducing the interval between the reflecting surfaces facing each other. Alternatively, the number of divisions can be increased by increasing the NA (numerical aperture) of the incident laser beam.

本発明で開示するビームホモジナイザを用いた長方形状のビームスポット形成光学系を、図2を用いて説明する。図2(a)の平面図において、紙面に対して垂直な方向が長方形状のビームスポットの短辺方向である。以下、光導波路としては、ライトパイプを用いることができる。   A rectangular beam spot forming optical system using the beam homogenizer disclosed in the present invention will be described with reference to FIG. In the plan view of FIG. 2A, the direction perpendicular to the paper surface is the short-side direction of the rectangular beam spot. Hereinafter, a light pipe can be used as the optical waveguide.

まず、図2(a)の平面図について説明する。レーザ発振器201から射出されたレーザビームは図2中、矢印の方向に伝播され、シリンドリカルレンズ202に入射する。レーザビームはシリンドリカルレンズ202によって、長方形状の長辺方向に絞られ、向い合う2つの反射面203a及び203bを有する光導波路203に入射する。光導波路203に入射したレーザビームは、光導波路203内において反射を繰り返し、射出口に至る。光導波路203の射出口には、長方形状ビームスポットの長辺方向においてエネルギー分布の均一な面が形成される。光導波路203の形状としては、レーザビームの入射方向に長さ300mm、反射面間の距離が2mmのものなどが考えられる。   First, the plan view of FIG. 2A will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 201 is propagated in the direction of the arrow in FIG. 2 and is incident on the cylindrical lens 202. The laser beam is narrowed down in the long side direction of the rectangular shape by the cylindrical lens 202 and enters the optical waveguide 203 having two reflecting surfaces 203a and 203b facing each other. The laser beam incident on the optical waveguide 203 is repeatedly reflected in the optical waveguide 203 and reaches the exit. At the exit of the optical waveguide 203, a surface having a uniform energy distribution is formed in the long side direction of the rectangular beam spot. As the shape of the optical waveguide 203, one having a length of 300 mm in the incident direction of the laser beam and a distance of 2 mm between the reflecting surfaces can be considered.

光導波路203の入射方向への長さが長ければ長いほど、また、シリンドリカルレンズ202の焦点距離が短ければ短いほどエネルギー分布の均一化は進む。しかしながら、光学系の大きさを考えて実際の系は作製されなければならないため、前記光導波路の長さや、前記焦点距離は系の大きさに合わせて実際的なものとしなくてはならない。   The longer the length of the optical waveguide 203 in the incident direction, and the shorter the focal length of the cylindrical lens 202, the more uniform the energy distribution. However, since the actual system must be manufactured in consideration of the size of the optical system, the length of the optical waveguide and the focal length must be practical according to the size of the system.

光導波路203の射出口に形成された長方形状ビームスポットの長辺方向にエネルギー分布が均一な面は、シリンドリカルレンズ204によって、被照射面208に投影される。すなわち、前記均一な面と、被照射面208とは、シリンドリカルレンズ204に対して共役な位置にある。これにより、長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一化され、長辺方向の長さが決定される。   A surface having a uniform energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot formed at the exit of the optical waveguide 203 is projected onto the irradiated surface 208 by the cylindrical lens 204. That is, the uniform surface and the irradiated surface 208 are in a conjugate position with respect to the cylindrical lens 204. Thereby, the energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the long side direction is determined.

光導波路203を有する本発明は、従来の光学系で被照射面における長方形状のビームスポットのエネルギー分布の不均一性の原因となった、シリンドリカルレンズアレイの構造的問題及び製作精度、分割したレーザビームの集光レンズであるシリンドリカルレンズの製作精度の問題を改善することができる。 The present invention having an optical waveguide 203 is a structural problem and manufacturing accuracy of a cylindrical lens array, a divided laser, which causes non-uniformity of energy distribution of a rectangular beam spot on an irradiated surface in a conventional optical system. It is possible to improve the problem of manufacturing accuracy of a cylindrical lens which is a beam condensing lens.

次に、図2(b)の側面図について説明する。レーザ発振器201から射出されたレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ205a及び205bにより、長方形状ビームスポットの短辺方向に分割される。前記シリンドリカルレンズアレイ205a及び205bによって分割されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ206により同じ面で重ね合わせられ、長方形状ビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一化される。   Next, the side view of FIG. 2B will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 201 is divided in the short-side direction of the rectangular beam spot by the cylindrical lens arrays 205a and 205b. The laser beams divided by the cylindrical lens arrays 205a and 205b are superimposed on the same surface by the cylindrical lens 206, and the energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is made uniform.

前記シリンドリカルレンズ206によって形成された、長方形状ビームスポットの短辺方向にエネルギー分布が均一な面は、シリンドリカルレンズ207a及び207bからなるダブレットシリンドリカルレンズにより、被照射面208に投影される。これにより、被照射面208において、長方形状ビームスポットの短辺方向にエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。前記ダブレットシリンドリカルレンズは使用しなくとも構わないが、前記ダブレットシリンドリカルレンズを用いることにより、光学系と照射面との間に距離がとれるため、空間的な余裕ができる。なお、被照射面においてビームスポットの均一性をあまり要求しない場合、あるいはダブレットシリンドリカルレンズのF値(焦点距離/開口率)が非常に大きい場合は、シングレットシリンドリカルレンズを用いても良い。   A surface formed by the cylindrical lens 206 and having a uniform energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is projected onto the irradiated surface 208 by a doublet cylindrical lens composed of the cylindrical lenses 207a and 207b. Thereby, energy distribution is made uniform in the short side direction of the rectangular beam spot on the irradiated surface 208, and the length in the short side direction is determined. The doublet cylindrical lens may not be used, but by using the doublet cylindrical lens, a distance can be secured between the optical system and the irradiation surface, so that a spatial margin can be obtained. Note that a singlet cylindrical lens may be used when the uniformity of the beam spot on the irradiated surface is not so required, or when the F-number (focal length / aperture ratio) of the doublet cylindrical lens is very large.

以上の構成からなる光学系を用いることにより、被照射面上に、長辺方向及び短辺方向ともにエネルギー分布が均一化された長方形状のビームスポットを形成することが可能となる。   By using the optical system having the above configuration, a rectangular beam spot having a uniform energy distribution in both the long side direction and the short side direction can be formed on the irradiated surface.

本発明が開示するビームホモジナイザを用いた長方形状のビームスポット形成用光学系と組み合わせるレーザ発振器は、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域が好ましい。半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は600nm以下であることが好ましい。このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、YAGレーザ(高調波)、ガラスレーザ(高調波)がある。   The laser oscillator combined with the rectangular beam spot forming optical system using the beam homogenizer disclosed in the present invention preferably has a wavelength region that has a large output and is well absorbed by the semiconductor film. When a silicon film is used as the semiconductor film, the wavelength of the laser beam emitted from the laser oscillator to be used is preferably 600 nm or less in consideration of the absorption rate. Examples of a laser oscillator that emits such a laser beam include an excimer laser, a YAG laser (harmonic), and a glass laser (harmonic).

また、現在の技術ではまだ大出力は得られていないが、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、YVO4レーザ(高調波)、GdVO4レーザ(高調波)、YLFレーザ(高調波)、Arレーザがある。 In addition, although the current technology has not yet obtained a large output, as a laser oscillator that oscillates a laser beam having a wavelength suitable for crystallization of a silicon film, for example, a YVO 4 laser (harmonic), a GdVO 4 laser (harmonic) Wave), YLF laser (harmonic), and Ar laser.

以下、本発明のビームホモジナイザ及びレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板として、例えば600×720×0.7mmの基板を用意する。この基板は600℃までの温度であれば充分な耐久性があり、代表的にはアルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラスなどの無アルカリガラス基板が使用できる。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を200nm成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を55nmの厚さに成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマCVD法にて成膜してもよい。   Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device of the present invention using the beam homogenizer and the laser irradiation apparatus of the present invention will be described. First, as a substrate, for example, a 600 × 720 × 0.7 mm substrate is prepared. This substrate has sufficient durability at temperatures up to 600 ° C., and typically, an alkali-free glass substrate such as aluminoborosilicate glass, barium borosilicate glass, aluminosilicate glass, or the like can be used. A silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed on the glass substrate as a base film. Further, an amorphous silicon film is formed thereon to a thickness of 55 nm. Both films are formed by sputtering. Alternatively, the film may be formed by a plasma CVD method.

上記成膜済の基板を、450〜500℃の窒素雰囲気中に1〜3時間おく。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。半導体膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。 前記膜内の水素の濃度は1020/cm3オーダーが適当である。ここで、1020/cm3とは、1cm3あたりに水素原子が1020個存在するという意味である。 The film-formed substrate is placed in a nitrogen atmosphere at 450 to 500 ° C. for 1 to 3 hours. This step is a step for reducing the hydrogen concentration in the amorphous silicon film. If there is too much hydrogen in the semiconductor film, the film cannot withstand the laser energy, so this step can be performed. The hydrogen concentration in the film is suitably on the order of 10 20 / cm 3 . Here, 10 20 / cm 3 means that 10 20 hydrogen atoms exist per 1 cm 3 .

本発明の実施の形態では、レーザ発振器として、例えば、XeCl エキシマレーザを使う。本実施例では、ラムダ社製の XeCl エキシマレーザ(波長308nm、パルス幅30ns)STEEL1000を使用する。前記エキシマレーザは、パルスレーザである。前記エキシマレーザの最大エネルギーは、1パルスあたり1000mJ、発振波長は308nm、最大周波数は300Hzである。基板1枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの1パルスごとのエネルギー変動は、±10%以内、好ましくは±5%以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。   In the embodiment of the present invention, for example, a XeCl excimer laser is used as the laser oscillator. In this example, a XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm, pulse width: 30 ns) STEEL1000 manufactured by Lambda is used. The excimer laser is a pulse laser. The maximum energy of the excimer laser is 1000 mJ per pulse, the oscillation wavelength is 308 nm, and the maximum frequency is 300 Hz. During the laser treatment of one substrate, uniform crystallization can be performed if the energy fluctuation for each pulse of the pulse laser is within ± 10%, preferably within ± 5%.

ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。すなわち、基板1枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギーまたは最大エネルギーと前記平均値との差を%で表したものである。   The fluctuation of the laser energy described here is defined as follows. That is, the average value of the laser energy during the period during which one substrate is irradiated is used as a reference, and the difference between the minimum energy or the maximum energy during the period and the average value is expressed in%.

またレーザ発振器として、例えば、ソプラ社製の XeCl エキシマレーザ(発振波長308nm、パルス幅170ns)VEL1520を使用しても良い。前記エキシマレーザの最大エネルギーは、1パルスあたり15J、周波数は20Hzである。前記エキシマレーザを用いた場合、基板1枚をレーザ処理する間、1パルスごとのエネルギー変動を±2.5%以内に収めることができ、より均一な結晶化が行える。また、本発明の光導波路を使った光学系を用いると、被照射面におけるビームスポットの位置がレーザビームの変動に全く影響を受けないので、光導波路とVEL1520のような極めて出力安定性の高いレーザとを組み合わせると、非常に均一なレーザアニールを行なうことが可能となる。   As a laser oscillator, for example, a XeCl excimer laser (oscillation wavelength 308 nm, pulse width 170 ns) VEL1520 manufactured by Sopra may be used. The excimer laser has a maximum energy of 15 J per pulse and a frequency of 20 Hz. When the excimer laser is used, the energy fluctuation per pulse can be kept within ± 2.5% during laser processing of one substrate, and more uniform crystallization can be performed. Further, when the optical system using the optical waveguide of the present invention is used, the position of the beam spot on the irradiated surface is not affected at all by the fluctuation of the laser beam, so that the output stability is extremely high like the optical waveguide and the VEL 1520. When combined with a laser, very uniform laser annealing can be performed.

レーザビームの照射は例えば、図2に示した被照射面208をのせたステージを長方形状ビームスポットの短辺方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。だいたいの目安は、エネルギー密度200mJ/cm2〜1000mJ/cm2の範囲である。走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が90%程度もしくはそれ以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。 The laser beam irradiation is performed, for example, while scanning the stage with the irradiated surface 208 shown in FIG. 2 in the short side direction of the rectangular beam spot. At this time, the practitioner may appropriately determine the energy density of the beam spot on the irradiated surface and the scanning speed. Rule of thumb is the range of the energy density of 200mJ / cm 2 ~1000mJ / cm 2 . If an appropriate scanning speed is selected in a range where the width of the rectangular beam spot in the short side direction is about 90% or more and overlaps each other, there is a high possibility that uniform laser annealing can be performed. The optimum scanning speed depends on the frequency of the laser oscillator and may be considered to be proportional to the frequency.

こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。また、複数の基板を収納することができる基板ホルダーと、前記基板を前記基板ホルダーと前記ステージの間を自動運搬する搬送装置を用意することで、より効率的に基板を処理することが可能となる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶表示装置を公知の方法に従って作製することができる。   Thus, the laser annealing process is completed. A large number of substrates can be processed by repeating the above steps. In addition, it is possible to process a substrate more efficiently by preparing a substrate holder that can store a plurality of substrates and a transfer device that automatically conveys the substrate between the substrate holder and the stage. Become. For example, an active matrix type liquid crystal display device can be manufactured according to a known method using the substrate.

上記の例ではレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。エキシマレーザはコヒーレント長が数μmと非常に小さいため、上記例の光学系に適している。以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、そのようなレーザを用いるときは、分割されたレーザビームを合成する前に、互いに光路差をつけて合成するようにすると干渉の発生を抑制できる。あるいは、光学系を通す前に、光ファイバーなどを通し、作為的にコヒーレント長を変えてからホモジナイザに導入して用いればよい。YAGレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても同様な大出力が得られ、かつ珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。珪素膜の結晶化に適当な他のレーザ発振器として、YVO4レーザ(高調波)、GdVO4レーザ(高調波)、YLFレーザ(高調波)、Arレーザなどがある。これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。 In the above example, an excimer laser is used as the laser oscillator. An excimer laser has a very small coherence length of several μm and is suitable for the optical system in the above example. Some of the lasers shown below have a long coherent length, but when using such a laser, it is possible to generate interference by combining optical beams with different optical paths before combining the divided laser beams. Can be suppressed. Alternatively, before passing through the optical system, an optical fiber or the like is passed through and the coherent length is artificially changed and then introduced into the homogenizer. Even if a harmonic of a YAG laser or a harmonic of a glass laser is used, the same large output can be obtained, and the energy of the laser beam is well absorbed by the silicon film, which is preferable. Other laser oscillators suitable for crystallization of the silicon film include YVO 4 laser (harmonic), GdVO 4 laser (harmonic), YLF laser (harmonic), and Ar laser. The wavelength range of these laser beams is well absorbed by the silicon film.

上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。   In the above example, an amorphous silicon film is used as the non-single crystal semiconductor film, but it can be easily estimated that the present invention can be applied to other non-single crystal semiconductors. For example, a compound semiconductor film having an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film may be used as the non-single-crystal semiconductor film. Alternatively, a polycrystalline silicon film may be used for the non-single-crystal semiconductor film.

図3に本実施例で説明する光導波路を用いた光学系の例を示す。光導波路としては、ライトパイプを用いることができる。まず、図3(a)の平面図について説明する。レーザ発振器301から射出されたレーザビームは図3中、矢印の方向に伝搬される。図3(a)の平面図において、紙面に対して垂直な方向が長方形状のビームスポットの短辺方向である。   FIG. 3 shows an example of an optical system using an optical waveguide described in this embodiment. A light pipe can be used as the optical waveguide. First, the plan view of FIG. 3A will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 301 is propagated in the direction of the arrow in FIG. In the plan view of FIG. 3A, the direction perpendicular to the paper surface is the short-side direction of the rectangular beam spot.

まず、レーザビームは球面レンズ302a及び302bにより拡大される。この構成は、レーザ発振器301から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。なお、前記球面レンズ302a及び302bのように、ビームスポットの形状を拡大する光学系一般的にビームエキスパンダーと呼ぶ。   First, the laser beam is expanded by the spherical lenses 302a and 302b. This configuration is not necessary when the beam spot emitted from the laser oscillator 301 is sufficiently large. In addition, like the spherical lenses 302a and 302b, an optical system that expands the shape of the beam spot is generally called a beam expander.

前記ビームエキスパンダーによって拡大されたレーザビームを、第1面が曲率半径194.25mm、第2面が平面、厚さ20mmのシリンドリカルレンズ303により、長方形状ビームスポットの長辺方向に絞る。曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対してレーザビームの射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。また、レンズ面はレーザビームが入射する面を第1面、射出する面を第2面とする。   The laser beam expanded by the beam expander is focused in the long-side direction of the rectangular beam spot by a cylindrical lens 303 having a first surface with a radius of curvature of 194.25 mm, a second surface with a flat surface, and a thickness of 20 mm. The sign of the radius of curvature is positive when the center of curvature is on the laser beam exit side with respect to the lens surface and negative when the center of curvature is on the incident side with respect to the lens surface. The lens surface is defined as a first surface that is incident on the laser beam and a second surface that is emitted.

向い合う2つの反射面304a及び304bからなる光導波路304を、光導波路304の入射口位置がシリンドリカルレンズ303の焦点位置になるように配置する。光導波路304に入射したレーザビームは、光導波路304内において反射を繰り返しエネルギー分布が均一化され、射出口に至る。光導波路304の射出口には、長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一な面が形成される。光導波路304はレーザビームの進行方向の長さが200mmで、反射面間の距離を2mmとする。   The optical waveguide 304 composed of the two reflecting surfaces 304 a and 304 b facing each other is arranged so that the entrance position of the optical waveguide 304 is the focal position of the cylindrical lens 303. The laser beam incident on the optical waveguide 304 is repeatedly reflected in the optical waveguide 304, the energy distribution is made uniform, and reaches the exit. A plane having a uniform energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot is formed at the exit of the optical waveguide 304. The optical waveguide 304 has a length in the traveling direction of the laser beam of 200 mm and a distance between the reflecting surfaces of 2 mm.

光導波路304の射出口から20mmの位置に配置する第1面の曲率半径が9.7mm、第2面が平面、厚さ5mmのシリンドリカルレンズ305により、光導波路304の射出口に形成された長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一な面をシリンドリカルレンズ305の後方3600mmの位置に配置する被照射面309に投影する。すなわち、前記均一な面と、被照射面309とは、シリンドリカルレンズ305に対して共役な位置にある。これにより、長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一化され、長辺方向の長さが決定される。本実施例においては、光導波路304から射出するレーザビームを被照射面309に投影するレンズに、シリンドリカルレンズ305を用いたが、収差をより少なくするためにダブレットシリンドリカルレンズを用いてもよい。ダブレットシリンドリカルレンズとは、2枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。あるいは、3枚以上のレンズで構成されるレンズを用いても良い。それは設計する系や要求される仕様により決定すればよい。   A rectangle formed at the exit of the optical waveguide 304 by a cylindrical lens 305 having a radius of curvature of 9.7 mm on the first surface, a flat second surface, and a thickness of 5 mm disposed at a position 20 mm from the exit of the optical waveguide 304. A surface having a uniform energy distribution in the long side direction of the beam spot is projected onto an irradiated surface 309 arranged at a position 3600 mm behind the cylindrical lens 305. That is, the uniform surface and the irradiated surface 309 are in a conjugate position with respect to the cylindrical lens 305. Thereby, the energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the long side direction is determined. In this embodiment, the cylindrical lens 305 is used as a lens for projecting the laser beam emitted from the optical waveguide 304 onto the irradiated surface 309. However, a doublet cylindrical lens may be used to reduce aberrations. The doublet cylindrical lens refers to a lens composed of two cylindrical lenses. Alternatively, a lens composed of three or more lenses may be used. It may be determined by the system to be designed and the required specifications.

次に、図3(b)の側面図について説明する。レーザ発振器301から射出されたレーザビームは、球面レンズ302a及び302bからなるビームエキスパンダーによって拡大される。前記ビームエキスパンダーによって拡大されたレーザビームを、シリンドリカルレンズ305の後方773.2mmに配置された、第1面が曲率半径486mm、第2面が平面、厚さ20mmのシリンドリカルレンズ306により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞る。   Next, the side view of FIG. 3B will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 301 is expanded by a beam expander composed of spherical lenses 302a and 302b. The laser beam expanded by the beam expander is disposed at 773.2 mm behind the cylindrical lens 305, and the first surface has a radius of curvature of 486 mm, the second surface is flat, and the cylindrical lens 306 has a thickness of 20 mm. Focus the beam spot in the side direction.

向い合う2つの反射面307a及び307bからなる光導波路307を、光導波路307の入射口位置がシリンドリカルレンズ306の焦点位置になるように配置する。光導波路307に入射したレーザビームは、光導波路307内において反射を繰り返しエネルギー分布が均一化され、射出口に至る。光導波路307の射出口には、長方形状ビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一な面が形成される。光導波路307はレーザビームの進行方向の長さが250mmで、反射面間の距離を2mmとする。   The optical waveguide 307 composed of the two reflecting surfaces 307 a and 307 b facing each other is arranged so that the entrance position of the optical waveguide 307 is the focal position of the cylindrical lens 306. The laser beam incident on the optical waveguide 307 is repeatedly reflected in the optical waveguide 307, the energy distribution is made uniform, and reaches the exit. A surface having a uniform energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is formed at the exit of the optical waveguide 307. The optical waveguide 307 has a laser beam traveling direction length of 250 mm and a distance between the reflecting surfaces of 2 mm.

光導波路307の射出口から1250mm後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ308a及び308bにより、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方237mmに配置した被照射面309に、光導波路304の射出口に形成された長方形状ビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一な面を投影する。   A rectangular beam spot formed at the exit of the optical waveguide 304 on the irradiated surface 309 disposed 237 mm behind the doublet cylindrical lens by the doublet cylindrical lenses 308a and 308b disposed 1250 mm behind the exit of the optical waveguide 307. A surface with a uniform energy distribution in the short side direction is projected.

前記ダブレットシリンドリカルレンズを構成する2枚のシリンドリカルレンズは、1枚は第1面の曲率半径が125mm、第2面の曲率半径が77mm、厚さ10mmのシリンドリカルレンズであり、もう1枚は第1面の曲率半径が97mm、第2面の曲率半径が−200mm、厚さ20mmのシリンドリカルレンズであり、2枚のシリンドリカルレンズの間隔は5.5mmである。これにより、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。前記ダブレットシリンドリカルレンズを用いないで、光導波路307の直後に照射面を配置しても構わないが、前記ダブレットシリンドリカルレンズを用いることにより、光学系と照射面との間に距離がとれるため、空間的な余裕ができる。   The two cylindrical lenses constituting the doublet cylindrical lens are one in which one has a curvature radius of 125 mm on the first surface, a curvature radius of 77 mm on the second surface, and a thickness of 10 mm, and the other is the first lens. This is a cylindrical lens having a radius of curvature of 97 mm, a radius of curvature of the second surface of -200 mm, and a thickness of 20 mm, and the interval between the two cylindrical lenses is 5.5 mm. Thereby, the energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the short side direction is determined. The irradiation surface may be arranged immediately after the optical waveguide 307 without using the doublet cylindrical lens. However, since the distance between the optical system and the irradiation surface can be increased by using the doublet cylindrical lens, the space Can afford.

図3に示した光導波路を用いた光学系により、長辺方向の長さが300mm、短辺方向の長さ0.4mmのエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを形成することができる。図4(a)〜(c)に光学設計ソフトにおいて行ったシミュレーション結果を示す。図4(a)は、長方形状のビームスポットの中心から長辺方向に±200mm、短辺方向に±0.3mmの平面に形成されたビームスポットのエネルギー分布を示した図である。図4(b)、(c)はそれぞれ、図4(a)で示した線A、Bにおけるエネルギー分布の断面図で、縦軸が、レーザ強度(A.U.)、横軸が長さ(mm)である。図4(a)の結果より、ビームスポットの形状が極めて長方形状に近く、ビームスポットの線幅が長さ300mmに渡って一様であるので、一様なアニールが期待できる。   With the optical system using the optical waveguide shown in FIG. 3, a rectangular beam spot having a uniform energy distribution having a length of 300 mm in the long side direction and a length of 0.4 mm in the short side direction can be formed. FIGS. 4A to 4C show the simulation results performed in the optical design software. FIG. 4A is a diagram showing the energy distribution of a beam spot formed on a plane of ± 200 mm in the long side direction and ± 0.3 mm in the short side direction from the center of the rectangular beam spot. 4 (b) and 4 (c) are cross-sectional views of the energy distribution along the lines A and B shown in FIG. 4 (a), where the vertical axis indicates the laser intensity (AU) and the horizontal axis indicates the length (mm). It is. From the result of FIG. 4A, the shape of the beam spot is very close to a rectangular shape, and the line width of the beam spot is uniform over a length of 300 mm, so uniform annealing can be expected.

本実施例で示した光導波路を用いた光学系を利用して、例えば実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶表示装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。   Using the optical system using the optical waveguide shown in this example, laser annealing of the semiconductor film is performed by the method according to the embodiment, for example. For example, an active matrix liquid crystal display device can be manufactured using the semiconductor film. The production may be performed by a practitioner according to a known method.

本実施例では、実施の形態に記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図5に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、光導波路としては、ライトパイプを用いることができる。   In this example, an example of an optical system different from the optical system described in the embodiment is given. FIG. 5 shows an example of an optical system described in this embodiment. A light pipe can be used as the optical waveguide.

図5中レーザビームは、光導波路504及び光導波路507以外は、図3に示した光学系と全く同じ光路を通る。光導波路504及び507は、光導波路304と同様に向い合う2つの反射面を有する。光導波路304は向い合う2つの反射面間の空間が中空である一方で、光導波路504及び507の向い合う2つの反射面間の空間は屈折率n(>1)の媒質で満たされている。この点で両者は異なる。光ファイバーと同様の原理により、レーザビームが臨界角以上の角度で前記光導波路504及び507に入射すると、反射面においてレーザビームは全反射する。例えば、材質が石英(屈折率1.5程度)である光導波路を空気中に配置することで光導波路と空気との界面において全反射面を有する光導波路が実現可能となる。上記のような光導波路を用いた場合、レーザビームの透過率は全反射しない場合と比べて非常に高くなる。従って、より高効率でレーザ発振器301からのレーザビームを被照射面309に伝播することができる。   In FIG. 5, the laser beam passes through the same optical path as the optical system shown in FIG. 3 except for the optical waveguide 504 and the optical waveguide 507. The optical waveguides 504 and 507 have two reflecting surfaces facing each other in the same manner as the optical waveguide 304. The space between the two reflecting surfaces facing each other in the optical waveguide 304 is hollow, while the space between the two reflecting surfaces facing each other in the optical waveguides 504 and 507 is filled with a medium having a refractive index n (> 1). . They are different in this respect. Based on the same principle as that of an optical fiber, when a laser beam is incident on the optical waveguides 504 and 507 at an angle greater than a critical angle, the laser beam is totally reflected on the reflecting surface. For example, an optical waveguide having a total reflection surface at the interface between the optical waveguide and air can be realized by disposing an optical waveguide made of quartz (refractive index of about 1.5) in the air. When the optical waveguide as described above is used, the transmittance of the laser beam is very high compared to the case where total reflection is not performed. Therefore, the laser beam from the laser oscillator 301 can be propagated to the irradiated surface 309 with higher efficiency.

なお、図5の光導波路504及び507の代わりに、多層構造の光導波路を用いてもよい。代表的には、図7(A)で示されるような、2つの材質からなり、外側の材質701(例えば、石英)の屈折率よりも内側の材質702(例えば、ゲルマニウムを含む石英)の屈折率の方が高い光導波路を用いることもできる。   In place of the optical waveguides 504 and 507 in FIG. 5, an optical waveguide having a multilayer structure may be used. Typically, it is made of two materials as shown in FIG. 7A, and the refraction of the inner material 702 (for example, quartz containing germanium) is higher than the refractive index of the outer material 701 (for example, quartz). An optical waveguide with a higher rate can also be used.

図7(B)に、図7(A)で示される光導波路の(ア)―(ア‘)における断面図を示す。また、図7(C)に、図7(B)の反射面での拡大図を示す。レーザビーム703の入射角度θが臨界角θ0以上の角度で前記光導波路に入射すると、向い合う2つの反射面間で入射光は全反射される。 FIG. 7B shows a cross-sectional view of the optical waveguide shown in FIG. FIG. 7C shows an enlarged view of the reflecting surface in FIG. When the incident angle θ of the laser beam 703 is incident on the optical waveguide at an angle equal to or larger than the critical angle θ 0 , the incident light is totally reflected between the two reflecting surfaces facing each other.

なお、光導波路504及び507にレーザビームを入射する際に、前記光導波路の入射面におけるレーザビームの反射率を抑えるために、前記入射面に反射率を抑えるコーティングを適時施してもよい。   When the laser beams are incident on the optical waveguides 504 and 507, a coating for suppressing the reflectivity may be applied to the incident surface as appropriate in order to suppress the reflectivity of the laser beam on the incident surface of the optical waveguide.

図5に示した光学系により、長辺方向の長さが300mm、短辺方向の長さが0.4mmのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。 With the optical system shown in FIG. 5, a rectangular beam spot having a uniform energy distribution with a length of 300 mm in the long side direction and a length of 0.4 mm in the short side direction can be formed.

本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶表示装置や発光装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。   Utilizing the optical system shown in this example, laser annealing of the semiconductor film is performed by the method according to the embodiment of the invention, for example. For example, an active matrix liquid crystal display device or a light-emitting device can be manufactured using the semiconductor film. The production may be performed by a practitioner according to a known method.

光導波路によるビームスポットのエネルギー分布の均一化を説明する図。The figure explaining equalization of the energy distribution of the beam spot by an optical waveguide. 本発明が開示する光導波路を用いたビームホモジナイザの例を示す図。The figure which shows the example of the beam homogenizer using the optical waveguide which this invention discloses. 本発明が開示する光導波路を用いたビームホモジナイザの例を示す図。The figure which shows the example of the beam homogenizer using the optical waveguide which this invention discloses. 図3が提示するビームホモジナイザによる長方形状のビームスポットのエネルギー分布。The energy distribution of the rectangular beam spot by the beam homogenizer presented in FIG. 本発明が開示する光導波路を用いたビームホモジナイザの例を示す図。The figure which shows the example of the beam homogenizer using the optical waveguide which this invention discloses. 従来のビームホモジナイザを示す図。The figure which shows the conventional beam homogenizer. 本発明が開示する光導波路の例を示す図。The figure which shows the example of the optical waveguide which this invention discloses.

Claims (24)

被照射面に形成されるビームスポットの一方向におけるエネルギー分布を均一化する光学系を有し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記一方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
Having an optical system that uniformizes the energy distribution in one direction of the beam spot formed on the irradiated surface;
The beam spot is rectangular,
The one direction is the long side direction of the rectangular shape,
The optical system includes an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face.
被照射面に形成されるビームスポットの一方向におけるエネルギー分布を均一化する光学系を有し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記一方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路と、前記光導波路により形成されるエネルギー分布の均一な面を、前記被照射面において、前記長方形状の長辺方向に拡大し投影する一つまたは複数のシリンドリカルレンズを有することを特徴とするビームホモジナイザ。
Having an optical system that uniformizes the energy distribution in one direction of the beam spot formed on the irradiated surface;
The beam spot is rectangular,
The one direction is the long side direction of the rectangular shape,
The optical system has an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face, and a uniform energy distribution formed by the optical waveguide. A beam homogenizer comprising one or a plurality of cylindrical lenses that project and enlarge a surface in the long-side direction of the rectangular shape on the irradiated surface.
被照射面に形成されるビームスポットの第1の方向におけるエネルギー分布を均一化する第1の光学系と、
前記ビームスポットの前記第1の方向と直交する第2の方向におけるエネルギー分布を均一化する第2の光学系とを有し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記第1の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記第2の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
前記第1の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路を有し、
前記第2の光学系は、シリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするビームホモジナイザ。
A first optical system for homogenizing an energy distribution in a first direction of a beam spot formed on an irradiated surface;
A second optical system for uniformizing energy distribution in a second direction orthogonal to the first direction of the beam spot;
The beam spot is rectangular,
The first direction is the long side direction of the rectangular shape,
The second direction is the rectangular short-side direction,
The first optical system has an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face,
The second optical system has a cylindrical lens array, and is a beam homogenizer.
被照射面に形成されるビームスポットの第1の方向におけるエネルギー分布を均一化する第1の光学系と、
前記ビームスポットの前記第1の方向と直交する第2の方向におけるエネルギー分布を均一化する第2の光学系とを有し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記第1の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記第2の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
前記第1の光学系および前記第2の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
A first optical system for homogenizing an energy distribution in a first direction of a beam spot formed on an irradiated surface;
A second optical system for uniformizing energy distribution in a second direction orthogonal to the first direction of the beam spot;
The beam spot is rectangular,
The first direction is the long side direction of the rectangular shape,
The second direction is the rectangular short-side direction,
The first optical system and the second optical system have an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face. A characteristic beam homogenizer.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項において、
前記光導波路は、ライトパイプであることを特徴とするビームホモジナイザ。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The beam homogenizer, wherein the optical waveguide is a light pipe.
請求項1乃至請求項5のいずれか1項において、
前記ビームスポットのアスペクト比が、10以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A beam homogenizer, wherein an aspect ratio of the beam spot is 10 or more.
請求項1乃至請求項5のいずれか1項において、
前記ビームスポットのアスペクト比が、100以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A beam homogenizer, wherein an aspect ratio of the beam spot is 100 or more.
レーザ発振器と、
ビームホモジナイザとを有し、
前記ビームホモジナイザは、被照射面に形成されるビームスポットの少なくとも一方向におけるエネルギー分布を均一化し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記一方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記ビームホモジナイザは、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
A beam homogenizer,
The beam homogenizer homogenizes the energy distribution in at least one direction of the beam spot formed on the irradiated surface,
The beam spot is rectangular,
The one direction is the long side direction of the rectangular shape,
The beam homogenizer has an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face.
レーザ発振器と、
ビームホモジナイザとを有し、
前記ビームホモジナイザは、被照射面に形成されるビームスポットの第1の方向におけるエネルギー分布を均一化する第1の光学系と、
前記ビームスポットの前記第1の方向と直交する第2の方向におけるエネルギー分布を均一化する第2の光学系とを有し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記第1の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記第2の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
前記第1の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路を有し、
前記第2の光学系は、シリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
A beam homogenizer,
The beam homogenizer includes a first optical system that uniformizes an energy distribution in a first direction of a beam spot formed on an irradiated surface;
A second optical system for uniformizing energy distribution in a second direction orthogonal to the first direction of the beam spot;
The beam spot is rectangular,
The first direction is the long side direction of the rectangular shape,
The second direction is the rectangular short-side direction,
The first optical system has an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face,
The laser irradiation apparatus, wherein the second optical system has a cylindrical lens array.
レーザ発振器と、
ビームホモジナイザとを有し、
前記ビームホモジナイザは、被照射面に形成されるビームスポットの第1の方向におけるエネルギー分布を均一化する第1の光学系と、
前記ビームスポットの前記第1の方向と直交する第2の方向におけるエネルギー分布を均一化する第2の光学系とを有し、
前記ビームスポットは長方形状であり、
前記第1の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
前記第2の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
前記第1の光学系および前記第2の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う2つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
A beam homogenizer,
The beam homogenizer includes a first optical system that uniformizes an energy distribution in a first direction of a beam spot formed on an irradiated surface;
A second optical system for uniformizing energy distribution in a second direction orthogonal to the first direction of the beam spot;
The beam spot is rectangular,
The first direction is the long side direction of the rectangular shape,
The second direction is the rectangular short-side direction,
The first optical system and the second optical system have an optical waveguide having two opposing reflecting surfaces that allow a laser beam to enter from one end face and emit the laser beam from the other end face. A featured laser irradiation device.
請求項8乃至請求項10のいずれか一項において、
前記光導波路は、ライトパイプであることを特徴とするレーザ照射装置。
In any one of Claims 8 to 10,
The laser irradiation apparatus, wherein the optical waveguide is a light pipe.
請求項8乃至請求項11のいずれか一項において、
前記レーザ発振器はエキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。
In any one of Claims 8 thru | or 11,
The laser oscillator is one of an excimer laser, a YAG laser, and a glass laser.
請求項8乃至請求項11のいずれか一項において、
前記レーザ発振器は、YVO4レーザ、GdVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。
In any one of Claims 8 thru | or 11,
2. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser oscillator is any one of a YVO 4 laser, a GdVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser.
請求項8乃至請求項13のいずれか一項において、
前記ビームスポットのアスペクト比が、10以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
In any one of Claims 8 to 13,
A beam homogenizer, wherein an aspect ratio of the beam spot is 10 or more.
請求項8乃至請求項13のいずれか一項において、
前記ビームスポットのアスペクト比が、100以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
In any one of Claims 8 to 13,
A beam homogenizer, wherein an aspect ratio of the beam spot is 100 or more.
請求項8乃至請求項15のいずれか一項において、
前記レーザ照射装置は、前記被照射面を有する被照射体を前記ビームスポットに対し相対的に移動させる移動ステージを有することを特徴とするレーザ照射装置。
In any one of Claims 8 thru | or 15,
The laser irradiation apparatus includes a moving stage that moves an irradiation object having the irradiation surface relative to the beam spot.
請求項16において、
レーザ照射装置は、前記被照射面を有する被照射体を前記移動ステージに運搬する搬送装置を有することを特徴とするレーザ照射装置。
In claim 16,
The laser irradiation apparatus includes a transfer device that conveys an irradiation target having the irradiation surface to the moving stage.
基板上に非単結晶半導体膜を形成し、
レーザ発振器で発生させたレーザビームを、前記被単結晶半導体を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイおよび光導波路を有する光学系を用いて、被照射面におけるビームスポットを長方形状に整形し、前記ビームスポットの位置を前記非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し
前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、前記光導波路は前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a non-single crystal semiconductor film on the substrate;
Using the optical system having a cylindrical lens array and an optical waveguide, the beam spot generated on the irradiated surface is shaped into a rectangular shape using the single crystal semiconductor as the irradiated surface, and the beam spot is shaped into a rectangular shape. Laser annealing the non-single-crystal semiconductor film while moving the position of the spot relative to the non-single-crystal semiconductor film, and the cylindrical lens array has a short-side direction of the rectangular beam spot. And the optical waveguide acts in the long side direction of the rectangular beam spot.
基板上に非単結晶半導体膜を形成し、
レーザ発振器で発生させたレーザビームを、前記被単結晶半導体を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイおよび複数の光導波路を有する光学系を用いて、被照射面におけるビームスポットを長方形状に整形し、前記ビームスポットの位置を前記非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し
前記複数の光導波路の内、少なくともひとつの光導波路は前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、少なくともひとつの光導波路は前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a non-single crystal semiconductor film on the substrate;
Using the optical system having a cylindrical lens array and a plurality of optical waveguides, the laser beam generated by a laser oscillator is shaped into a rectangular shape using a cylindrical lens array and a plurality of optical waveguides as the irradiated surface of the single crystal semiconductor, Laser annealing the non-single-crystal semiconductor film while moving the position of the beam spot relative to the non-single-crystal semiconductor film, and at least one of the plurality of optical waveguides Acts on the long side direction of the rectangular beam spot, and at least one optical waveguide acts on the short side direction of the rectangular beam spot.
請求項18または請求項19において
前記光導波路は、ライトパイプを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein the optical waveguide uses a light pipe.
請求項18乃至請求項20のいずれか一項において、
前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザのいずれかを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 18 to 20,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser oscillator uses any one of an excimer laser, a YAG laser, and a glass laser.
請求項18乃至請求項20のいずれか一項において、
前記レーザ発振器は、YVO4レーザ、GdVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 18 to 20,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser oscillator uses any one of a YVO 4 laser, a GdVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser.
請求項18乃至請求項22のいずれか一項において、
前記ビームスポットのアスペクト比は、10以上に整形することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 18 to 22,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the beam spot has an aspect ratio of 10 or more.
請求項18乃至請求項22のいずれか一項において、
前記ビームスポットのアスペクト比は、100以上に整形することを特徴とする半導体装置の作製方法。





In any one of Claims 18 to 22,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the beam spot has an aspect ratio of 100 or more.





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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009192789A (en) * 2008-02-14 2009-08-27 Mitsubishi Electric Corp Lighting optical system and image display apparatus
JP2011128634A (en) * 2011-01-19 2011-06-30 Mitsubishi Electric Corp Lighting optical system and image display apparatus
JP2012170847A (en) * 2011-02-18 2012-09-10 Ricoh Co Ltd Device and method of manufacturing thin film

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0727993A (en) * 1993-07-07 1995-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Optical system with uniformalized light beam
JPH08327942A (en) * 1995-06-01 1996-12-13 Microlas Lasersyst Gmbh Optical apparatus for generation of sharp irradiated radiation from laser beam
JPH09234579A (en) * 1996-02-28 1997-09-09 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser beam irradiating device
JPH09275081A (en) * 1996-02-06 1997-10-21 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiation device and laser irradiation method
JPH11212021A (en) * 1998-01-27 1999-08-06 Toshiba Corp Laser light radiating device
JP2001007045A (en) * 1999-06-25 2001-01-12 Mitsubishi Electric Corp Optical system for laser thermal treatment and laser thermal treatment apparatus
JP2002141302A (en) * 2000-11-02 2002-05-17 Mitsubishi Electric Corp Optical system for laser annealing and laser annealing apparatus using the same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0727993A (en) * 1993-07-07 1995-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Optical system with uniformalized light beam
JPH08327942A (en) * 1995-06-01 1996-12-13 Microlas Lasersyst Gmbh Optical apparatus for generation of sharp irradiated radiation from laser beam
JPH09275081A (en) * 1996-02-06 1997-10-21 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiation device and laser irradiation method
JPH09234579A (en) * 1996-02-28 1997-09-09 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser beam irradiating device
JPH11212021A (en) * 1998-01-27 1999-08-06 Toshiba Corp Laser light radiating device
JP2001007045A (en) * 1999-06-25 2001-01-12 Mitsubishi Electric Corp Optical system for laser thermal treatment and laser thermal treatment apparatus
JP2002141302A (en) * 2000-11-02 2002-05-17 Mitsubishi Electric Corp Optical system for laser annealing and laser annealing apparatus using the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009192789A (en) * 2008-02-14 2009-08-27 Mitsubishi Electric Corp Lighting optical system and image display apparatus
JP4670876B2 (en) * 2008-02-14 2011-04-13 三菱電機株式会社 Illumination optical system and image display device
JP2011128634A (en) * 2011-01-19 2011-06-30 Mitsubishi Electric Corp Lighting optical system and image display apparatus
JP2012170847A (en) * 2011-02-18 2012-09-10 Ricoh Co Ltd Device and method of manufacturing thin film

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