JP2005302956A

JP2005302956A - レーザアニール装置及びレーザアニール方法

Info

Publication number: JP2005302956A
Application number: JP2004115804A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sakane; 剛坂根
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】被加工面内において多結晶の品質の均一化を図ることができるレーザアニール装置を提供する。
【解決手段】レーザアニール装置は、レーザビームが照射される加工対象物を保持する保持台と、１パルス当たりのエネルギが１０Ｊ以上であるパルス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したレーザビームの断面を一方向に長い形状に整形して、加工対象物の表面上におけるビーム断面の長さを５００ｍｍ以上とするビーム整形器とを有する。
【選択図】図１（Ｂ）

Description

本発明は、レーザアニール装置及びレーザアニール方法に関し、特に、断面形状が長尺に整形されたレーザビームを加工対象物に照射するレーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。

ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜に、エキシマレーザ光の照射を断続的に繰り返し、アモルファスシリコン膜を多結晶化する技術が知られている。レーザ照射によりアモルファスシリコン膜を一時的に溶融させて、多結晶化を行うことができる。多結晶シリコン膜が形成されたガラス基板は、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に用いられる。

アモルファスシリコン膜が形成されたガラス基板は、長方形であり、そのサイズは、例えば７００ｍｍ×９００ｍｍである。基板上の、レーザビームを照射する被加工領域のサイズは、例えば６９０ｍｍ×８９０ｍｍ程度である。レーザ光源として、１パルス当たりのエネルギが０．８Ｊ〜１Ｊ程度のパルスレーザを出射するエキシマレーザが用いられる。長尺ビームホモジナイザにより、被加工領域に照射されるレーザビームの断面形状が長尺に整形され、ビーム断面内の長尺方向の光強度分布が均一化される。ビーム断面の長尺方向の長さは、（長くとも）３５０ｍｍ〜４００ｍｍ程度であり、被加工領域の一辺の長さよりも短い。

断面が長尺に整形されたレーザビームを、基板表面の被加工領域に繰り返し照射しながら、基板を、ビーム断面の長尺方向と直交する第１の方向に移動させる。こうして、基板表面上で、レーザビームが第１の方向に走査される。被加工領域の第１の方向の一端から他端まで、レーザビームの走査を行う。これにより、被加工領域の第１の方向の一端から他端に至り、ビーム断面の長尺方向の長さと等しい幅を有する帯状の領域に、レーザが照射される。

ただし、ビーム断面の長尺方向の長さは、被加工領域の一辺の長さよりも短い。よって、被加工領域の第１の方向の一端から他端までのレーザビームの走査を一度行っただけでは、被加工領域全体にはレーザが照射されない。そこで、上記のようなレーザビームの走査が終了したら、基板をビーム断面の長尺方向に移動させて、レーザが未照射の領域にレーザが照射できるようにし、次いで、第１の方向に２度目のレーザビームの走査を行う。２度目のレーザビーム走査により、１度目のレーザビーム走査でレーザが照射された帯状領域と平行な帯状領域にレーザが照射される。基板をビーム断面の長尺方向に移動させる距離は、この２つの帯状領域が幅方向の端部で互いに少しだけ重なるように決められる。２つの帯状領域が重なりを持つようにレーザ照射を行うことにより、２つの帯状領域の間に間隙が生じなくなり、被加工領域全体にレーザ照射を行うことができる。

上記のようなレーザビーム走査を必要な回数繰り返すことにより、被加工領域全体にレーザが照射され、アモルファスシリコン膜が多結晶化される。このようなレーザアニール方法は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００３−１５９１５号公報

上記で説明した方法において、各回のレーザビーム走査に対応した帯状領域は、互いに隣接するもの同士で重なる。よって、帯状領域同士が重なった領域と、それ以外の領域（帯状領域の内部）とで、照射されたレーザのエネルギ密度等が異なる。そのため、被加工面内で均一な多結晶化を行うことができない。

本発明の一目的は、被加工面内において多結晶の品質の均一化を図ることができるレーザアニール方法及びそれに用いられるレーザアニール装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームが照射される加工対象物を保持する保持台と、１パルス当たりのエネルギが１０Ｊ以上であるパルス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したレーザビームの断面を一方向に長い形状に整形して、加工対象物の表面上におけるビーム断面の長さを５００ｍｍ以上とするビーム整形器とを有するレーザアニール装置が提供される。

本発明の他の観点によれば、（ａ）加工対象物の表面に画定された被加工領域の第１の方向の一端から他端までに至る長さの線状に、レーザビームの断面を整形する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で断面が整形されたレーザビームを、前記被加工領域の前記第１の方向の一端から他端までが照射されるように、前記加工対象物に照射する工程と（ｃ）前記被加工領域内におけるビーム照射領域が、前記第１の方向と直交する方向に移動するように、前記加工対象物に入射するレーザビームと該加工対象物との相対位置を変化させる工程とを有し、前記被加工領域の前記第１の方向の一端から他端までの長さが、５００ｍｍ以上であるレーザアニール方法が提供される。

１０Ｊ以上のパルスエネルギのパルスレーザを出射するレーザ光源を用いて、多結晶化に充分な大きさのパルスエネルギ密度を有し、５００ｍｍ以上の長さの長尺ビームを作ることができる。一辺の長さが５００ｍｍ以上である被加工領域を、ビームの長尺方向に直交する方向への一度のレーザビーム走査により多結晶化することができる。被加工面内において多結晶の品質の均一化が図られる。

図１（Ａ）を参照して、本発明の実施例によるレーザアニール方法を説明する。図１（Ａ）は、表面にアモルファスシリコン膜が形成された矩形状の基板５の平面図を示す。基板５の表面に平行なＸＹ座標系を考える。基板５の一辺に平行な方向をＸ軸方向とし、それに直交する方向をＹ軸方向とする。基板５のＸ軸方向に平行な辺の長さは、例えば９００ｍｍであり、Ｙ軸方向に平行な辺の長さは、例えば７００ｍｍである。

基板５の表面に、レーザビームを照射すべき矩形状の被加工領域５ａが画定されている。被加工領域５ａの一対の辺がＸ軸方向に平行であり、他の一対の辺がＹ軸方向に平行である。被加工領域５ａのＹ軸方向に平行な辺の長さは、例えば６９０ｍｍである。

被加工領域５ａに対して、パルスレーザビームを照射することにより、アモルファスシリコン膜を一時的に溶融させ、多結晶化させる。被加工領域５ａに照射されるレーザビームの断面は、Ｙ軸方向に長く、その長さが被加工領域５ａのＹ軸方向の長さと等しくなるように（例えば６９０ｍｍに）整形されている。これにより、１パルスの照射で、被加工領域５ａのＹ軸方向の一端から他端までに至る照射領域５ｂにレーザビームが入射する。このような長尺ビームを作ることができるレーザアニール装置について、後に図１（Ｂ）を参照して説明する。基板５は、ステージ６に保持されている。ステージ６は、ＸＹ面に平行な２次元方向に、基板５を移動させることができる。

被加工領域５ａのＸ軸方向の一端の、Ｙ軸方向の一端から他端までに至る領域にレーザが照射されるように、基板５を位置合わせして、レーザビームの照射を開始する。パルスレーザの照射を繰り返しながら、基板５をＸ軸方向に移動させることにより、照射領域５ｂが、Ｘ軸方向に移動する（被加工領域内でレーザビームがＸ軸方向に走査される）。照射領域５ｂが、被加工領域５ａのＸ軸方向の他端に達したら、レーザビームの照射を終了する。基板５の移動速度は、パルスレーザのある１ショットにより照射される領域と、次の１ショットにより照射される領域とが、一部分において重なる程度とする。

このように、被加工領域５ａのＹ軸方向の一端から他端までに至る長さの長尺ビームを照射することにより、Ｘ軸方向への一度のレーザビーム走査で、被加工領域５ａ全体にレーザを照射して、アモルファスシリコン膜の多結晶化を行うことができる。

従来のレーザアニール方法では、被加工領域全体へレーザを照射するために、ビーム断面の長尺方向と直交する方向へのレーザビーム走査を複数回行い、各回のレーザビーム走査でレーザが照射される基板表面上の領域同士が重なりを持つようにする必要があった。この重なりに起因して、被加工面内で均一に多結晶化が行われない問題が生じた。本実施例の方法では、ビーム断面の長尺方向と直交する方向へのレーザビーム走査が一度で済み、このような重なりが生じないので、被加工面内における多結晶の品質の均一化が図られる。

図１（Ｂ）は、上述のレーザアニール方法に用いることができるレーザアニール装置を示す概略図である。レーザ光源１が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１として、エキシマレーザを用いることができる。

さて、エキシマレーザは、技術的に２つのタイプに分けられる。１つ目は、１パルス当たりのエネルギが低く、パルスの繰り返し周波数が高いものであり、具体的には、パルスエネルギが０．８Ｊ〜１Ｊ程度で、繰り返し周波数が３００Ｈｚ程度であり、出力が３００Ｗ程度のものである。２つ目は、１パルス当たりのエネルギが高く、パルスの繰り返し周波数が低いものであり、具体的には、パルスエネルギが１０Ｊ以上で、繰り返し周波数が１０〜２０Ｈｚ程度であり、出力が１００Ｗ〜２００Ｗのものである。２つ目のタイプのエキシマレーザにおいて、予備電離をＸ線方式とし、放電電極に挟まれた空間の、レーザビームの光軸に垂直な断面の大きさ（光軸に垂直なビーム断面の大きさ）を、１０ｃｍ×８ｃｍ程度とすれば、１５Ｊ程度のパルスエネルギを得ることができる。

従来のレーザアニール装置においては、レーザ光源として、１つ目のタイプのエキシマレーザが用いられてきた。レーザアニールにおいて一般に、被加工面上のビーム断面の幅は、０．４ｍｍ程度以上とする必要がある。このタイプのエキシマレーザを用いた場合、パルスエネルギが小さいため、ビーム断面の幅を０．４ｍｍ以上としたとき、高々３５０ｍｍ〜４００ｍｍ程度の長さの長尺ビームしか作ることができない（それ以上の長尺とすると、多結晶化に必要なパルスエネルギ密度が得られない）。

図１（Ｂ）に示すレーザアニール装置においては、レーザ光源として、１パルスのエネルギが１０Ｊ以上と大きい２つ目のタイプのエキシマレーザ光源を用いる。これにより、以下で説明するように、ビーム断面の長さを例えば５００ｍｍ以上の長尺としても、多結晶化に必要なパルスエネルギ密度が得られる。なお、２つ目のタイプのエキシマレーザ装置は、パルスエネルギは高いが、繰り返し周波数及び出力は（１つ目のタイプのものに比べ）低い。しかし、近年、このタイプのレーザ光源の繰り返し周波数及び出力が高くなりつつある。

レーザ光源１を出射したレーザビームが、折り返しミラー２で反射され、ホモジナイザ３に入射する。

図２を参照して、ホモジナイザ３の構成及び作用について説明する。ホモジナイザ３に入射する光線束の光軸に平行なＺ軸を有するＸＹＺ直交座標系を考える。図２（Ａ）は、ＹＺ面に平行な断面図、図２（Ｂ）は、ＸＺ面に平行な断面図を示す。

図２（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をＸ軸と平行にし、かつＹ軸方向に配列し、ＸＹ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂが構成されている。シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はＸＺ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面のことを意味する。シリンダアレイ１５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。

図２（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をＹ軸と平行にし、かつＸ軸方向に配列し、ＸＹ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１６Ａと１６Ｂが構成されている。シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はＹＺ面に平行である。シリンダアレイ１６Ａはシリンダアレイ１５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１６Ｂはシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ１５Ａと１５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ１６Ａと１６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。

シリンダアレイ１５Ｂの後方に、収束レンズ１９が配置されている。収束レンズ１９の光軸は、Ｚ軸に平行である。

図２（Ａ）を参照して、ＹＺ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ＹＺ面内においては、シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ１６Ａの左方からＺ軸に平行な光軸を有する平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１７は、例えば曲線２１Ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａを透過し、シリンダアレイ１５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ１５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１Ｙａ〜２１Ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ１５Ａによって収束された光線束は、シリンダアレイ１５Ｂにより再度収束される。

シリンダアレイ１５Ｂにより収束した７つの収束光線束１８は、それぞれ収束レンズ１９の前方で結像する。この結像位置は、収束レンズ１９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、収束レンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のＹ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布２１Ｙａ〜２１ＹｇをＹ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布２１Ｙａと２１Ｙｇ、２１Ｙｂと２１Ｙｆ、２１Ｙｃと２１Ｙｅは、それぞれＹ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線２２Ｙで示すように均一な分布に近づく。

図２（Ｂ）を参照して、ＸＺ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ＸＺ面内においては、シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１７は、例えば曲線２１Ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１Ｘａ〜２１Ｘｇで示す光強度分布を有する。

各光線束は、シリンダアレイ１６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ１６Ｂに入射する。シリンダアレイ１６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、収束レンズ１９に入射する。

収束レンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ収束光線束となり、ホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のＸ軸方向の光強度分布は、図１の場合と同様に実線２２Ｘで示すように均一な分布に近づく。

ホモジナイズ面２０上の光照射領域は、Ｙ軸方向に長く、Ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面２０の位置に、図１（Ａ）に示す基板５の被加工面を配置することにより、その面内のＹ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。ホモジナイザ３のホモジナイズ面２０におけるビーム断面の長さ（Ｙ軸方向の長さ）は、例えば７３０ｍｍであり、ビーム断面の幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば１ｍｍである。

エネルギ損失を考えないとき、パルスエネルギが１５Ｊのパルスレーザビームの断面を、長さ７３０ｍｍ、幅１ｍｍに整形すると、被加工面におけるパルスエネルギ密度は２Ｊ／ｃｍ^２程度となる。例えば、伝送光学系によるエネルギ損失が５０％としたときでも、被加工面上のパルスエネルギ密度は１Ｊ／ｃｍ^２程度となる。アモルファスシリコン膜の多結晶化を行うために必要な被加工面上のパルスエネルギ密度の下限値は０．３〜０．４Ｊ／ｃｍ^２程度であるので、１Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度は、その２倍以上となる。

図１（Ｂ）に戻って説明を続ける。ホモジナイザ３のホモジナイズ面２０に近接して、ホモジナイザ３側に遮光板４が配置されている。遮光板４が、長尺に整形されたビーム断面の長さ方向の両端の光を遮り、それ以外の部分の光を透過させる。これにより、ホモジナイズ面２０に配置された基板５の表面に照射される長尺ビームの長さが調節される。図１（Ａ）を参照して説明したように、基板５の表面上に、レーザを照射する被加工領域５ａが画定されている。基板表面上のビーム断面の（Ｙ軸方向の）長さが、被加工領域５ａのＹ軸方向の長さ（例えば６９０ｍｍ）と等しくなるように調節される。遮光板４を出射したレーザビームが、被加工領域５ａ内のＹ軸方向の一端から他端までに至る領域を照射するように、基板５が配置される。基板５はステージ６に保持される。

なお、レーザ光源から出射されるレーザのパルスエネルギが１０Ｊであり、ホモジナイザは、被加工面（ホモジナイズ面）において長さが５００ｍｍで幅が１ｍｍとなるようにビーム断面を整形し、伝送光学系によるエネルギ損失が５０％と仮定したとき、被加工面上のパルスエネルギ密度は１Ｊ／ｃｍ^２となる。このパルスエネルギ密度は、アモルファスシリコン膜の多結晶化を行うのに充分な大きさである。

従来技術によるレーザアニール装置では、高々３５０ｍｍ〜４００ｍｍ程度の長尺ビームしか作ることができなかったため、一辺の長さが例えば５００ｍｍ以上の被加工領域を、一度のレーザビーム走査（ビームの長尺方向に直交する方向への走査）で加工することができなかった。本実施例によるレーザアニール装置を用いれば、多結晶化に充分な大きさのパルスエネルギ密度を有し、５００ｍｍ以上の長さの長尺ビームを作ることができるため、一辺の長さが５００ｍｍ以上の被加工領域を、ビームの長尺方向に直交する方向への一度の走査で加工することができる。

なお、上記の説明において、基板表面上でビーム照射領域を移動させるために、基板を移動させたが、基板の位置は固定したまま、例えばホモジナイザを移動させて、基板に入射するレーザビームを移動させることにより、基板上のビーム照射領域を移動させても構わない。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の実施例によるレーザアニール方法を説明するための基板の平面図である。本発明の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、ホモジナイザの構成を示す概略図である。

符号の説明

１レーザ光源
２折り返しミラー
３ホモジナイザ
４遮光板
５基板
５ａ被加工領域
５ｂ照射領域
６ステージ

Claims

レーザビームが照射される加工対象物を保持する保持台と、
１パルス当たりのエネルギが１０Ｊ以上であるパルス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したレーザビームの断面を一方向に長い形状に整形して、加工対象物の表面上におけるビーム断面の長さを５００ｍｍ以上とするビーム整形器と
を有するレーザアニール装置。
（ａ）加工対象物の表面に画定された被加工領域の第１の方向の一端から他端までに至る長さの線状に、レーザビームの断面を整形する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で断面が整形されたレーザビームを、前記被加工領域の前記第１の方向の一端から他端までが照射されるように、前記加工対象物に照射する工程と
（ｃ）前記被加工領域内におけるビーム照射領域が、前記第１の方向と直交する方向に移動するように、前記加工対象物に入射するレーザビームと該加工対象物との相対位置を変化させる工程と
を有し、前記被加工領域の前記第１の方向の一端から他端までの長さが、５００ｍｍ以上であるレーザアニール方法。