JP2007036080A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上に形成した非晶質半導体膜をレーザアニーリングする線状の照射レーザビームの偏光状態を、所望の状態に制御することのできるレーザアニール装置を提供する。
【解決手段】 本発明のレーザアニール装置は、半導体膜が形成された基板を載置するステージと、直線偏光のレーザビームを出力するレーザビーム出力系と、対向する１対の反射面を有し、この反射面が、上記直線偏光の偏光方向に平行又は垂直に配置された導波路を備え、入射される前記レーザビームの光軸に直交する一方向のレーザビーム強度を強度均一の台形分布に変換するビーム均一光学系と、均一化したレーザビームを転写する転写光学系と、転写したレーザビームを上記ステージに載置された基板の半導体膜に線状に集光する集光光学系と、上記導波路と上記基板との間に配置され、レーザビームの偏光方向を制御する第１の偏光素子とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射により多結晶半導体薄膜を製造するためのレーザアニール装置に関し、特に、等方性の多結晶膜の製造に適したレーザアニール装置に関する。

ガラス基板上に形成した非晶質シリコン膜を多結晶化して、高い電子移動度を有する薄膜トランジスタ基板に利用する技術が知られている。非結晶シリコン膜は、ガラス基板上にＣＶＤなどの気相形成法により形成することができるが、非晶質であるので電子移動度が低く、そのままでは、高速動作が要求される駆動回路のトランジスタ基板には適用できなかった。そこで、非晶質シリコン膜にレーザビームを照射してシリコン膜を局部的に溶融し、冷却過程の再結晶化の際に多結晶化する技術が用いられている。

従来のレーザアニール装置では、広い面積をレーザ照射するために、レーザ発振器から出力される断面円形のレーザビームを線状のビーム形状に変換して、非晶質シリコン膜に掃引照射するレーザアニール装置が知られている（例えば特許文献１）。円形のレーザビームでは、光軸に直交する全ての方向において、ガウス分布類似の強度分布を有しているが、線状形状に変換したレーザビームでは、その長手方向にビーム強度が均一であり、狭幅方向にガウス分布の強度を維持している。
特開２００２−１７４７６７号公報

線状レーザビームの長手方向の強度分布を均一にするために、いくつかの光学レンズを組み合わせて光学系が利用されている。例えば、特許文献１の図１には、導波路と転写レンズとを組み合わせた光学系が用いられている。導波路は、対向する一対の反射面を有した透明中実体である。レーザ発振器からのレーザビームを導波路に入射し、さらに転写レンズを通過することにより、レーザビームの特定方向の強度のみを均一化することができる。均一化の原理は、導波路に入射されたレーザビームが、導波路内の反射面で反射しながら通過することにより複数のビームに分割され、この分割されたビームが転写レンズを通過することにより基板上で重畳されることによる。このようにして、基板上の照射面上には、長手方向に強度均一な線状照射レーザビームが成形される。

このようなレーザアニール装置では、線状の照射レーザビームをその狭幅方向に掃引しながら、ガラス基板表面の非晶質シリコン膜上に照射することにより、多結晶シリコン膜を形成する。照射レーザビームの掃引を異なる位置で複数回行なうことにより、大きなシリコン膜全体を効率的にアニール処理することができる。

アニール処理による結晶粒の成長方向は、照射レーザビームのエネルギー密度勾配に大きく影響を受ける。特許文献１に開示されているように、結晶粒は、線状ビームの掃引方向（幅方向）に大きく成長するので、一方向に伸びた形状になる。このように、異方性粒子から成る多結晶膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作成した場合、ＴＦＴのチャネルの向きが、結晶粒の長軸方向か短軸方向かによってＴＦＴ特性が相違するので、得られるトランジスタ特性にばらつきが生じることがあった。

また、結晶粒の成長方向は、レーザビームの偏光方向にも影響を受け、直線偏光又は楕円偏光の場合には、偏光の主軸方向に結晶が長く成長するのを助長する（例えば特許文献２）。照射する線状レーザビームの偏光を、直線偏光又は楕円偏光とし、偏光の主軸方向を線状レーザビームの長手方向に偏光の主軸をあわせることにより、掃引方向の結晶成長と偏光方向の結晶成長とが相殺されて、等方的な結晶粒を生成することができる。このような照射ビームの制御をするには、レーザビームを形成する光学系における偏光制御が重要である。
特開２００３−３４７２１０号公報

特許文献１に開示されているレーザアニール装置では、レーザビームは、特定の入射角度で導波路に入射され、導波路内で反射を繰り返してから射出する。特許文献１の例では、平行光に調整されたレーザビームは、集光レンズで集光されて導波路に入射されるが、導波路から出射する際に、導波路の幅方向（線状ビームの長手方向）全体からレーザビームが出射される。

しかし、図９に示すように、４５°直線偏光の入射光Ａ、Ｂ、Ｃは、同様に偏光状態３で導波路５５に入射されているにもかかわらず、出射光Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の偏光状態４が異なってしまう。これは、入射光Ａ、Ｂ、Ｃの偏光状態３が導波路５５内の反射面５５１に対して傾いているので、導波路５５内で光が全反射するときに生じるＳ波とＰ波に位相差が影響して、出射光Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の偏光状態４に影響を及ぼす。また、円偏光および楕円偏光を導波路５５に入射した場合も同様に、出射光の偏光状態が導波路５５内での反射の有無によって異なってくる。

このように、導波路５５に入射するレーザビームが、反射面５５１に対して傾いた直線偏光や、円偏光及び楕円偏光になっていると、導波路５５から出射したレーザビームは、偏光状態が揃っていない状態になる。そのため、レーザビームを線状の照射状態にまで成形したときに、偏光状態が不揃いになっており、照射レーザビームの長手方向に偏光の主軸を揃えることができない。

そこで、本発明は、線状の照射レーザビームの偏光状態を所望の状態に制御することのできるレーザアニール装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザアニール装置は、半導体膜が形成された基板を載置するステージと、直線偏光のレーザビームを出力するレーザビーム出力系と、対向する１対の反射面を有し、この反射面が、上記直線偏光の偏光方向に平行又は垂直に配置された導波路を備え、入射される前記レーザビームの光軸に直交する一方向のレーザビーム強度を強度均一の台形分布に変換するビーム均一光学系と、均一化したレーザビームを転写する転写光学系と、転写したレーザビームを上記ステージに載置された基板の半導体膜に線状に集光する集光光学系と、上記導波路と上記基板との間に配置され、レーザビームの偏光方向を制御する第１の偏光素子とを備えている。

本発明の装置は、図１０に示すように、導波路５５に入射されるレーザビーム（入射光Ａ、Ｂ、Ｃ）の偏光状態３が、導波路５５内の反射面５５１（線状ビームの長手方向のＹ軸と垂直面）に対して平行又は垂直方向に偏光した直線偏光であれば、入射光Ａ、Ｂ、Ｃの偏向状態３と出射光Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の偏向状態４と間で、位相シフトがないこのことを利用して、出射光の偏光状態を制御している。

本発明は、導波路内で生じる偏光状態の乱れを抑制することにより、照射レーザビームの偏光を制御することができる。これにより、アニーリング時の半導体膜の結晶粒の成長方向を適切に制御することが可能になり、等方的な半導体膜を得ることができる。

本発明のように、導波路から出射したレーザビームが、よく制御された偏光状態を有している場合、偏光素子を用いることにより、所望の方向に偏光したレーザビームを容易に得ることができる。例えば、偏光素子を、導波路とビーム照射位置（基板）との間に配置することにより、照射する線状のレーザビームの偏光状態が適切に調整できる。

実施形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のレーザアニ−ル装置の構成の概略を示す図である。図１において、基板９上には、レーザアニ−ル装置１００でアニ−リング処理を施す被処理物として、半導体膜が形成されている。レーザアニ−ル装置１００は、線形のレーザビームを成形して半導体膜に照射し、アニ−リング処理を施す。以下の説明においては、半導体膜が非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜である場合について説明する。

図１に示したレーザアニール装置１００では、レーザ発振器２で発振したレーザビーム１は、偏光方向が導波路５５の反射面に対して平行方向又は垂直方向の直線偏光を有している。本実施形態のように、レーザビーム出力系が直線偏光のレーザビームを出力するレーザ発振器であると、レーザ発振器から出力したレーザビームをそのまま導波路に入射することができ、装置の構成部品数を減らすことができるので、好ましい。レーザビームは、導波路５５を備えた強度均一化光学系５に導かれる。強度均一化光学系５は、レーザビームの光軸に直交する一方向（Ｙ軸方向）における強度分布を均一化するための光学系である。この強度均一化光学系５を通ったレーザビームは、第１偏光素子６を通過した後に、転写光学系７によって、その強度が均一化な方向を掃引ステージ１０に転写する。また、レーザビーム１は、集光光学系８によって、光軸に垂直な別の方向（Ｘ軸方向）の幅が集束されて、ステージ上に集光する。よって、照射レーザビームは、Ｙ軸方向のビーム強度形状１１がトップフラットで、Ｘ軸方向のビーム強度形状１２が集光したガウス分布になる。レーザアニール装置１００は、さらに、基板９を搭載固定して一定速度で掃引する掃引ステージ１０を含む。

図２及び図３に、レーザアニール装置１００の光学系を示す。光学系は、主に強度均一化光学系５と転写光学系７と集光光学系８とから構成されている。
強度均一化光学系５は、導波路５５を備えており、さらに、導波路５５の後方（入射側）には、拡大レンズ５１と、Ｙ軸方向用のＹ軸コリメートレンズ５２及びＸ軸方向用のＸ軸コリメートレンズ５３と、Ｙ軸集光レンズ５４と、を備えている。拡大レンズ５１は、レーザ発振器２からのレーザビーム１を発散して拡大する。Ｙ軸コリメートレンズ５２及びＸ軸コリメートレンズ５３は、拡大レンズ５１で発散したビームを平行光にする。Ｙ軸集光レンズ５４は、Ｙ軸及びＸ軸コリメートレンズ５２、５３からの平行ビームをビームのＹ軸方向の幅を集光して、導波路に入射できるようにする。

転写光学系７は、導波路５５出射面から出射されたレーザビーム１を転写するＹ軸方向転写レンズ５６である。また、集光光学系８は、レーザビーム１のＸ軸方向の幅を集束してステージ１０上の基板に集光するＸ軸集光レンズ５７である。
さらに、レーザアニール装置１００は、強度均一化光学系５と転写光学系７の間には、光の偏光方向を変える第１偏光素子６を含んでいる。

図２は、Ｙ軸方向におけるレーザビームの状態を示している。レーザ発振器２から出力された直線偏光のレーザビーム１は、通常、光軸に垂直な断面でのビーム形状が円形であり、強度分布がガウス分布を示す。円形状のプロファイルのレーザビーム１は、ビーム拡大レンズ５１を用いて拡大され、Ｙ軸コリメートレンズ５２でレーザビーム１のＹ軸方向が平行にされる。ここで、Ｙ軸コリメートレンズ５２の焦点距離とビーム拡大レンズ５１の焦点距離との比によって、レーザビーム１のＹ軸方向のビームサイズ拡大率が決まる。

Ｙ軸コリメートレンズ５２で平行化されたレーザビーム１のＹ軸方向のプロファイルは、Ｘ軸コリメートレンズ５３では変化せず、Ｙ軸集光レンズ５４により集光されて、直線偏光の偏光方向が導波路５５の反射面と平行又は垂直方向の状態で、導波路５５の入射面に入射される。Ｙ軸集光レンズ５４によるレーザビーム１の集光位置は、導波路５５入射面の直前又は直後としている。レーザビーム１は、導波路内で分割、均一化されて出射する。導波路５５より出射されたレーザビーム１は、第１偏光素子６を通過して偏光を受け、Ｙ軸方向の像を転写するＹ軸転写レンズ５６によって、ステージ１０に転写される。

図３は、Ｘ軸方向におけるレーザビームの状態を示している。円形状のプロファイルのレーザビーム１は、ビーム拡大レンズ５１を用いて拡大される。レーザビーム１のＸ軸方向のプロファイルは、Ｙ軸コリメートレンズ５２及びＹ軸集光レンズ５４では変化せずに通過する。拡大されたレーザビーム１は、Ｘ軸方向のＸ軸コリメートレンズ５３でＸ軸方向が平行にされる。ここで、Ｘ軸コリメートレンズ５３の焦点距離とビーム拡大レンズ５１の焦点距離との比によって、レーザビーム１のＸ軸方向のビームサイズ拡大率が決まる。

Ｘ軸コリメートレンズ５３で平行化されたレーザビーム１は、Ｙ軸集光レンズ５７を通過して導波路５５の入射面に入射される。レーザビーム１のＸ軸方向のプロファイルは、導波路５５内では変化しない。導波路５５より出射されたレーザビーム１は、第１偏光素子６を通過して偏光を受け、Ｘ軸集光レンズ５７によりＸ軸方向の幅が集束されて、ステージ１０に集光する。集光したレーザビーム１のＸ軸方向の強度分布は、ガウス分布に近い形状を維持している。

本発明の装置では、レーザ発振器２より出力されたレーザビーム１を、導波路５５内の反射面に対して平行又は垂直方向の直線偏光の状態で導波路に入射することにより、レーザビームの偏光状態は、導波路から出射して第１偏光素子６に到達するまで、初めの偏光状態（方向・位相差）を保つことができる。レーザビームは、初期状態のよく揃った偏光状態のままで第１偏光素子６を通過することにより、偏光状態（方向・位相差）が揃っており且つ所定の偏光方向を有する線状の照射レーザビームを得ることが得きる。

さらに、本願発明のように直線偏光のレーザビームを出力するレーザ発振器を利用する場合であっても、その偏光方向を、導波路の反射面に対して正確に平行又は垂直方向になるように調整する必要があれば、レーザ発振器と偏光素子とを組み合わせて、レーザビームの偏光方向を微調整できるレーザビーム出力系を構成することもできる。このように、レーザビーム出力系が偏光素子を備えると、レーザビームの正確な偏光調節が可能になり、導波路に入射するレーザビームの偏光状態を最適化することができるので好ましい。

本発明の装置では、偏光素子としてλ/２波長板及びλ/４波長板を好ましく用いることができる。λ/２波長板は、直線偏光の偏光方向を９０°変更することができ、λ/４波長板は、円偏光から直線偏光に、又は円偏光から直線偏光に、又は直線偏光から円偏光及び楕円偏光に偏光状態を変換することができる素子である。本発明では、λ/２波長板とλ/４波長板との両方を併用することもできる。これらの偏光素子により、直線偏光状態から、直線偏光を構成する一方の成分を他方向の成分に対して所望の位相差を精度よく容易につけることができ、任意の偏光状態（方向・位相差）にすることができる。

本発明で第１の偏光素子６の位置は、導波路５５と掃引ステージ上１０の基板との間に配置すればよいが、特に好ましくは、転写光学系７に入射する転写方向のビームサイズと転写光学系７から出射する転写方向のビームサイズとが同等の大きさになる範囲に配置される。本発明のアニール装置１００では、レーザビームは、各種の光学素子によって発散や収束を繰り返されるので、レーザビームの断面寸法は光学素子の前後で変化している。転写光学系に入射する転写方向のビームサイズと転写光学系から出射する転写方向のビームサイズとが同等の大きさになる範囲では、レーザビームの断面寸法が小さくなるので、その位置に第１の偏光板を配置することにより、使用する偏光板の寸法を小さくできる利点がある。例えば、図２及び図３においては、第１偏光素子６を強度均一化光学系５と転写光学系７との間に配置する例を示しているが、第１偏光素子６は、導波路５５からステージ１０の間に配置すれば良く、特に、レーザビームサイズが比較的小さいＹ軸方向転写レンズ近傍に配置するのが望ましい。

また、本実施形態のレーザアニール装置では、一方向の偏光方向の直線偏光のレーザビームを用いることを前提として説明しているが、複数の直線偏光が混在したレーザビームを用いることもできる。例えば、２つの直線偏光を、それらの偏光方向が直交した状態で結合した複合偏光のレーザビームを、レーザビーム源として使用することもできる。この複合偏光のレーザビームを導波路に入射する際には、それぞれの偏光方向が導波路に対して平行又は垂直方向とすれば、導波路を通過後もそれらの偏光状態は維持されて、２つの直交する直線偏光を有する複合偏光のレーザ光として取り出すことができる。

本発明のレーザアニール装置１００で成形された偏光状態の揃った線状ビームを、基板９上に形成した非晶質シリコン膜に照射して、アニール処理する。非晶質シリコン膜は、通常は厚さ１μｍ以下で、ガラス基板上にＣＶＤ法等により形成される。本発明の装置により成形された偏光状態の揃った線状ビームを照射することにより、等方的な結晶粒の多結晶シリコンを得ることができる。
また、多結晶化シリコン膜にレーザビームを照射することによりシリコン結晶を大粒径化することができ、さらに微結晶領域のシリコン結晶を再溶融することによりサイズのそろった均一な多結晶化シリコン膜を得ることができる。

シリコン膜に対しては、レーザ発振器として、３９０〜６４０ｎｍの可視領域光源がシリコン非晶質膜への光の吸収がよく、最も偏光状態が結晶の成長方向に影響するため、好ましく利用される。このような光源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの高調波、又は、Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）レーザの基本波若しくは高調波を使用することができる。これらは、パルスレーザとして利用され、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波が利用できる。

波長３９０〜６４０ｎｍのレーザ光では、非晶質シリコン又は微細結晶シリコンと多結晶シリコンとの吸収率の差が大きく、非晶質シリコン又は微細結晶シリコンと多結晶質シリコンとに同様にレーザ照射を行った場合でも、非晶質シリコン又は微細結晶シリコンのみが、選択的にレーザ光を吸収する。すなわち、多結晶質シリコン領域と隣接する非晶質シリコン領域や、結晶欠陥（結晶化しきれていない微結晶領域）の多い多結晶シリコン膜にレーザビームを照射すると、既に多結晶化した多結晶シリコンにレーザビームが当たっても、レーザ光の吸収が小さいのでほとんど影響を受けない。よって、この波長域のレーザビームを使用することにより、多結晶化されていない非晶質シリコン又は微結晶シリコン膜のみを選択的にアニールすることができる。

本発明のレーザアニール装置で波長３９０〜６４０ｎｍのレーザビームを使用して、結晶欠陥を多く含んでいる多結晶シリコン膜をレーザアニールすると、結晶欠陥の少ない多結晶シリコン膜に比べてレーザビームの吸収率が高く、再アニールにより結晶欠陥のみを溶融し再結晶化することができる。これにより、欠陥の少ない良好な多結晶シリコンを得ることができる。
また、広い面積の非晶質シリコン膜を複数回のレーザビームの掃引により多結晶シリコン膜に変換する手法では、２回目以降のレーザ照射は、照射済みの多結晶シリコン領域に隣接する未照射の非晶質領域の照射が行われるが、このとき、シリコン膜のビーム端領域（多結晶領域と非晶質領域との境界）では、非晶質領域が残存しないように、レーザビームの端部が多結晶領域の縁部に多少重なるように照射する方法、いわゆるつなぎ照射をすることが一般的である。上記のような波長域のレーザビームを使用した本発明の装置では、つなぎ照射においても、既に多結晶化したシリコン領域には実質的な変化を誘起することなく、非結晶シリコン領域のみをアニールして、良好な多結晶シリコンを得ることができる。

本発明は、レーザのスキャン方向と、レーザの偏光方向の関係を調整することにより等方な粒径の多結晶半導体膜を作製することができ、この多結晶半導体膜をトランジスタに使用すると、トランジスタのチャネルの方向に関係なく良好な電子移動度を得ることができる。例えば多結晶半導体膜が１方向に細長い結晶粒から構成されている場合、結晶粒の長手方向がトランジスタのチャネル方向に一致すると、チャネルを横断する結晶粒界の数は少なくなるが、結晶の長手方向がチャネル方向に垂直であれば、チャネルを横断する結晶粒界の数は多くなる。このチャネルを横断する結晶粒界数の違いは、電子移動度の違いとなり、チャネル方向が結晶の長手方向に一致するトランジスタでは電子移動度が大きくなり、結晶の長手方向に垂直なトランジスタでは電子移動度が小さくなる。この様に、トランジスタの特性が方向により異なると、回路設計における制約となり望ましくない。
本発明の装置で製造した多結晶半導体膜は、結晶粒の寸法が等方的であるので、いずれの方向においても電子移動度が等しく、その結果、この半導体膜をトランジスタに使用することにより、チャネルの方向によるトランジスタ特性の差が生じることがなく、自由な回路設計を行うことができる。

実施形態２．
図４及び図５に、レーザアニール装置１００の光学系を示す。光学系は、主に強度均一化光学系５と転写光学系７と集光光学系８とから構成されている。
強度均一化光学系５は、導波路５５を備えており、さらに、導波路５５の後方（入射側）には、Ｙ軸ビーム拡大レンズ５１ａと、Ｙ軸方向用のＹ軸コリメートレンズ５２と、Ｙ軸集光レンズ５４と、を備えている。Ｙ軸ビーム拡大レンズ５１ａは、レーザ発振器２からのレーザビーム１をＹ軸方向に発散して拡大する。Ｙ軸コリメートレンズ５２は、Ｙ軸ビーム拡大レンズ５１ａで発散したビームを平行にする。Ｙ軸集光レンズ５４は、Ｙ軸及びＸ軸コリメートレンズ５２、５３からの平行ビームをビームのＹ軸方向の幅を集光して、導波路に入射できるようにする。

転写光学系７は、導波路５５出射面から出射されたレーザビーム１を転写するＹ軸方向転写レンズ５６である。また、集光光学系８は、レーザビーム１をＸ軸方向に発散して拡大するＸ軸ビーム拡大レンズ５１ｂと、Ｘ軸ビーム拡大レンズ５１ｂで発散したビームを平行光にするＸ軸方向用のＸ軸コリメートレンズ５３と、レーザビーム１のＸ軸方向の幅を集束してステージ１０上の基板に集光するＸ軸集光レンズ５７とから構成されている。
さらに、レーザアニール装置１００は、強度均一化光学系５と転写光学系７との間には、光の偏光方向を変える第１偏光素子６を含んでいる。

図４は、Ｙ軸方向におけるレーザビームの状態を示している。レーザ発振器２から出力された直線偏光のレーザビーム１は、通常、光軸に垂直な断面でのビーム形状が円形であり、強度分布がガウス分布を示す。円形状のプロファイルのレーザビーム１は、Ｙ軸ビーム拡大レンズ５１ａを用いて拡大され、Ｙ軸コリメートレンズ５２でレーザビーム１のＹ軸方向が平行光にされる。ここで、Ｙ軸コリメートレンズ５２の焦点距離とビーム拡大レンズ５１の焦点距離との比によって、レーザビーム１のＹ軸方向のビームサイズ拡大率が決まる。

Ｙ軸コリメートレンズ５２で平行光化されたレーザビーム１は、Ｘ軸コリメートレンズ５３では変化せず、Ｙ軸集光レンズ５４により集光されて、直線偏光の偏光方向が導波路５５の反射面と平行又は垂直方向の状態で、導波路５５の入射面に入射される。Ｙ軸集光レンズ５４によるレーザビーム１の集光位置は、導波路５５入射面の直前又は直後としている。レーザビーム１は、導波路内で分割、均一化されて出射する。導波路５５より出射されたレーザビーム１は、第１偏光素子６を通過して偏光を受け、Ｙ軸方向の像を転写するＹ軸転写レンズ５６によって、ステージ１０に転写される。なお、レーザビーム１のＹ軸方向のプロファイルは、集光光学系８を通過しても変化しない。

図５は、Ｘ軸方向におけるレーザビームの状態を示している。レーザビーム１のＸ軸方向のプロファイルは、Ｙ軸拡大レンズ５１ａ、Ｙ軸コリメートレンズ５２、及びＹ軸集光レンズ５７では変化せずに、レーザ発振器２から出力されたプロファイルのままで通過して、導波路５５の入射面に入射される。レーザビーム１のＸ軸方向のプロファイルは、導波路５５内では変化しない。導波路５５から出射されたレーザビーム１は、第１偏光素子６を通過して偏光を受け、次いで、転写光学系７を通過する。

転写光学系７を通過したレーザビームは、Ｘ軸ビーム拡大レンズ５１ｂを用いてＸ軸方向に拡大され、次いでＸ軸方向のＸ軸コリメートレンズ５３で平行光にされる。ここで、Ｘ軸コリメートレンズ５３の焦点距離とビーム拡大レンズ５１の焦点距離との比によって、レーザビーム１のＸ軸方向のビームサイズ拡大率が決まる。
Ｘ軸コリメートレンズ５３で平行光化されたレーザビーム１は、Ｘ軸集光レンズ５７によりＸ軸方向の幅が集束されて、ステージ１０に集光する。集光したレーザビーム１のＸ軸方向の強度分布は、ガウス分布に近い形状を維持している。

本実施形態は、Ｘ軸方向のプロファイルを調整する光学系、例えばＸ軸ビーム拡大レンズ５１ｂ、Ｘ軸コリメートレンズ５３、及びＸ軸集光レンズ５７を、全て集光光学系８に備えている。つまり、Ｘ軸方向のビームプロファイルは、レーザ発振器２から出力してから、集光光学系８に入射するまで変化しない。よって、本実施形態のＸ軸方向のビームプロファイル（図５）は、実施形態１のＸ軸方向のビームプロファイル（図３）と比較して、強度均一化光学系５、第１偏光素子６、及び転写光学系７を通過するときのサイズが小さくなる。これにより、Ｘ軸方向の光学系部品の寸法を小さくすることができる。特に、レーザアニール装置に組み込む第１偏光素子６の寸法を小さくすることができることは、実際に光学系を構成する上で重要であり、例えば、規格品で購入可能な偏光素子サイズφ５０．８以下の適用が可能になる。
第１偏光素子６の配置位置は、図５に示す位置以外にも、導波路と上記基板との間で且つビームサイズが小さい位置という条件を満たすことが好ましい。すなわち、第１偏光素子６の配置位置は、図６に示すＹ軸方向からのビームプロファイルにおいて、転写光学系７の第１レンズに入射する転写方向のビームサイズＷ_ｙと転写光学系７から出射する転写方向のビームサイズＷ_ｙ’とが同等の大きさになる範囲Ｒ内に設定することが望ましい。これにより、第１偏光素子６に、規格品で購入可能な偏光素子（例えば偏光素子サイズφ５０．８以下）を用いることができる。

実施形態３．
図７に示したレーザアニーリング装置は、実施形態１又は２と同様に配置された強度均一化光学系５、転写光学系７、集光光学系８、及び第１偏光素子６に加えて、別の第２偏光素子１３を備えている。第２偏光素子１３は、レーザ発振器２とビーム形成光学系５との間に配置されており、円偏光（楕円偏光も含む）のレーザビーム１を、平行又は垂直方向の直線偏光に変換するものである。このとき、第２偏光素子としては、λ／４波長板が適している。これにより、レーザ発振器２と第２偏光素子とから構成されるビーム出力系は、実施形態１と同様のレーザビームを形成することができる。偏光方向を調整する第２偏光素子１３によって、レーザビーム１の偏光方向を、導波路５５内の反射面５５１に対して平行又は垂直に調節できる。第２偏光素子１３を備えることにより、導波路５５での偏光方向の位相シフトを抑制することができる。

本実施形態では、レーザ発振器２より出力された直線偏光のレーザビーム１が、導波路５５内の反射面５５１に対して平行でも垂直でもない偏光方向である場合にも適用できる。この場合には、第２偏光素子１３に代えて直線偏光の偏光方向を変更する第３偏光素子１４が用いられる。第３偏光素子１４としては、λ／２波長板が適している。偏光方向を調整する第３偏光素子１４によって、レーザビーム１の偏光方向を、導波路５５内の反射面５５１に対して平行又は垂直に調節できる。第２偏光素子１３又は第３偏光素子１４を備えることにより、導波路５５での偏光方向の位相シフトを抑制することができる。

実施形態４．
図８に示したレーザアニーリング装置は、実施形態３と同様に配置された強度均一化光学系５、転写光学系７、集光光学系８、第１偏光素子６、第２偏光素子１３、及び第３偏光素子１４を備えている。第２及び第３偏光素子１３、１４は、レーザ発振器２とビーム形成光学系５との間に配置されており、円偏光（楕円偏光も含む）のレーザビーム１を、平行又は垂直方向の直線偏光に変換し、且つその偏光方向を変更するものである。本実施形態のように、レーザビーム出力系を、円偏光のレーザビームを出力するレーザ発振器２と、該円偏光を直線偏光に変換する第２の偏光素子１３とを組み合わせて構成することにより、直線偏光のレーザビームを発振するレーザ出力系にすることもでき、レーザ発振器の選択肢を広げることができるので好ましい。

このレーザビーム出力系には、直線偏光の偏光方向を調整する第３の偏光素子１４を備えており、レーザ発振器２から出射した円偏光のレーザビームから変換した直線偏光のレーザビームが、導波路の反射面に対して平行でも垂直でもない偏光方向になっている場合でも、それらの偏光方向を導波路の反射面に対して平行又は垂直に調節することができる。よって、レーザ発振器の選択肢を広げ、且つレーザ発振器と導波路との位置関係の自由度を増すことができるので好ましい。このような第３の偏光素子１４は、円偏光から変換した直線偏光のレーザビームのみではなく、導波路の反射面に対して好ましくない偏光状態になっている直線偏光のレーザビームに対しても応用可能であり、導波路反射面に対して好まし偏光方向に調節するのに有効である。

このとき、第３偏光素子１４には、直線偏光の偏光方向を変更するλ／２波長板が適しており、第２偏光素子１３としては、円偏光（楕円偏光も含む）のレーザビーム１を、平行又は垂直方向の直線偏光に変換するλ／４波長板が適している。これにより、レーザ発振器２と第２及び第３偏光素子１３、１４とから構成されるビーム出力系は、実施形態１と同様のレーザビームを形成することができる。偏光状態を円偏光から直線偏光に変換する第３偏光素子１４と、偏光方向を調整する第２偏光素子１３によって、レーザビーム１の偏光方向を、導波路５５内の反射面５５１に対して平行又は垂直に調節できる。第２偏光素子１３を備えることにより、導波路５５での偏光方向の位相シフトを抑制することができる。

本発明の１実施形態にかかるレーザアニール装置を示す概略図である。 本発明の１実施形態にかかるレーザアニール装置をＸ方向から観察した図である。 本発明の１実施形態にかかるレーザアニール装置をＹ方向から観察した図である。 本発明の別の実施形態にかかるレーザアニール装置をＸ方向から観察した図である。 本発明の別の実施形態にかかるレーザアニール装置をＹ方向から観察した図である。 本発明の別の実施形態にかかるレーザアニール装置をＸ方向から観察した部分拡大図である。 本発明の他の実施形態にかかるレーザアニール装置を示す概略図である。 本発明のさらに別の実施形態かかるにレーザアニール装置を示す概略図である。 直線偏光のレーザビームが、導波路で受ける偏光状態の変化を示す模式図である。 直線偏光のレーザビームが、導波路で受ける偏光状態の変化を示す模式図である。

符号の説明

１００ レーザアニール装置
１ レーザビーム
２ レーザ発振器
３ 入射光の偏光状態
４ 出射光の偏光状態
５ ビーム均一化光学系
６ 第１偏光素子
７ 転写光学系
８ 集光光学系
９ 基板
１０ 掃引ステージ
１１ Ｙ方向のビーム強度形状
１２ Ｘ方向のビーム強度形状
１３ 第２偏光素子
１４ 第３偏光素子。
５５ 導波路
５５１ 導波路反射面

Claims (7)

1. 半導体膜が形成された基板を載置するステージと、
   直線偏光のレーザビームを出力するレーザビーム出力系と、
   対向する１対の反射面を有し、この反射面が、上記直線偏光の偏光方向に平行又は垂直に配置された導波路を備え、入射される前記レーザビームの光軸に直交する一方向のレーザビーム強度を強度均一の台形分布に変換するビーム均一光学系と、
   均一化したレーザビームを転写する転写光学系と、
   転写したレーザビームを上記ステージに載置された基板の半導体膜に線状に集光する集光光学系と、
   上記導波路と上記基板との間に配置され、レーザビームの偏光方向を制御する第１の偏光素子と、
   を備えるレーザアニ−ル装置。
2. 上記レーザビーム出力系が、直線偏光のレーザビームを出力するレーザ発振器である請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. 上記レーザビーム出力系が、円偏光のレーザビームを出力するレーザ発振器と、該円偏光を直線偏光に変換する第２の偏光素子とを備える請求項１に記載のレーザアニール装置。
4. 上記直線偏光の偏光方向を調整する第３の偏光素子を備える請求項２又は３に記載のレーザアニ−ル装置。
5. 第１乃至第３の偏光素子が、λ／４波長板又はλ／２波長板である請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザアニール装置。
6. 上記半導体膜が非晶質若しくは多結晶シリコン膜であり、レーザビームの波長が３９０〜６４０ｎｍである請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザアニール装置。
7. 上記第１偏光素子が、転写光学系に入射する転写方向のビームサイズと転写光学系から出射する転写方向のビームサイズとが同等の大きさになる範囲に配置される請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザアニ−ル装置。
   

Images