JP2007194604A

JP2007194604A - レーザ照射装置及びレーザ照射方法

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Publication number: JP2007194604A
Application number: JP2006340657A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Tanaka; 幸一郎田中; Yoshiaki Yamamoto; 良明山本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP5178002B2

Abstract

【課題】レーザビームの所望の照射位置の温度変化に伴うずれを補正して精度良くレーザビームを照射するレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供する。
【解決手段】レーザビームを射出するレーザ発振器と、被照射体が設けられたＸＹステージと、前記レーザビームを前記被照射体の表面において線状ビームに形成する光学系と、前記被照射体の表面に光を照射する照明と、前記被照射体表面での前記光の反射光を撮像するカメラとを有し、前記カメラで撮像した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、線状ビームを被照射体に照射するレーザ照射装置、及びレーザ照射方法に関するものである。

近年、基板上に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）を製造する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型表示装置への応用開発が進められている。特に、多結晶半導体膜を用いたＴＦＴは、従来の非単結晶半導体膜を用いたＴＦＴよりも電界効果移動度（モビリティともいう）が高いので、高速動作が可能である。そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路で行っていた画素の制御を、画素と同一の基板上に形成した駆動回路で行うことが試みられている。

ところで半導体装置に用いる基板は、コストの面から石英基板よりも、ガラス基板が有望視されている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいため、ガラス基板上に多結晶半導体膜を用いたＴＦＴを形成する場合には、ガラス基板の熱変形を避けるために、半導体膜の結晶化にレーザアニールが用いられる。

レーザアニールの特徴は輻射加熱あるいは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、半導体基板又は半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えないことなどがあげられている。

なお、ここでいうレーザアニール法とは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。

ここで、半導体基板上にレーザビームの照射する位置を正確に決定するにあたって、照射面に基準となるマーカーを設け、該マーカーを基にＣＣＤカメラやパーソナルコンピュータ等を含む画像処理手段を用いて照射位置制御を行う手法が用いられている（例えば特許文献１）。
特開２００３−２２４０８４号公報

しかしながら、特許文献１に示す手法を用いて照射面上に設けたマーカーを基準としてレーザ照射を開始する位置を一度決定しても、レーザビームの照射位置が所望の位置からずれてしまうという問題がある。

この要因として第一に、ステージやガラス基板、スケール等は、温度によって膨張・収縮が生じるため、周辺環境の温度が変化した場合、絶対的な位置に差が生じるためである。ガラス基板が大型化するに伴い、ステージの位置決めに用いるスケールの長さも延長されるため、この影響は大きくなり、無視できないものとなる。

第二に、ステージ等の移動装置を用いた場合、その移動量が絶対的な精度を持っていないためであり、また十分な精度があったとしてもマーカーを形成するステッパー等の他の装置との間に絶対位置の差が生じるためである。

第三に、レーザ発振器において周辺環境の温度や冷却水の温度変化により、内部光学系や筐体が熱膨張や収縮することで、射出角度や位置のズレが生じるためである。

レーザビームの照射位置が所望の位置からずれることによって、結晶化されるはずの領域が非晶質のままであったり、レーザビームが複数回照射されてしまう領域ができたり、大粒径結晶領域の両端の凹凸が存在する箇所にＴＦＴが作製されてしまったりする。このようにして形成された半導体膜を用いてＴＦＴを作製しても、その電気特性のバラツキは大きく、信頼性が低くなってしまう。

本発明は上記問題を鑑み、温度変化に伴うレーザビームの所望の照射位置からのずれを補正して精度良くレーザビームを照射するレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することを課題とする。また、レーザビームの所望の照射位置からのずれを補正する方法を用いて信頼性の高いＴＦＴを作製する方法を提供することを課題とする。

本発明のレーザ照射装置は、レーザビームが照射された領域をカメラで読み取り、レーザビームの所望の照射位置からのずれを補正することを特徴とする。また、基板上に設けられたマーカ間の距離を読み取り、あらかじめ決められたマーカ間の距離との差を検出して、そのずれを補正することを特徴とする。

本発明のレーザ照射装置は、レーザビームを射出するレーザ発振器と、ＸＹステージと、前記ＸＹステージ上に設けられる被照射体の表面において前記レーザビームを線状ビームに形成する光学系と、前記被照射体の表面に光を照射する照明と、前記被照射体表面での前記光の反射光を検出するカメラとを有し、前記反射光から前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とする。

本発明のレーザ照射装置は、レーザビームを射出するレーザ発振器と、ＸＹステージと、前記ＸＹステージに設けられる少なくとも２つのアライメントマーカーが形成された被照射体の表面において前記レーザビームを線状ビームに形成する光学系と、前記２つのアライメントマーカーを撮像するカメラと、前記カメラで撮像した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出する画像処理装置とを有し、前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正して前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とする。

本発明のレーザ照射装置は、レーザビームを射出するレーザ発振器と、ＸＹステージと、前記ＸＹステージに設けられる少なくとも２つのアライメントマーカーが形成された被照射体の表面において前記レーザビームを線状ビームに形成する光学系と、前記被照射体の表面に光を照射する照明と、前記２つのアライメントマーカー及び前記被照射体表面での前記光の反射光を撮像するカメラと、前記カメラで撮像した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出する画像処理装置とを有し、前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正し、前記カメラで撮像した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とする。

本発明のレーザ照射装置は、前記被照射体はガラス基板上に形成された半導体膜であることを特徴とする。

本発明のレーザ照射装置は、前記レーザ発振器として、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＧｄＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ又はＡｒレーザを用いることを特徴とする。

本発明のレーザ照射方法は、被照射体表面に線状ビームを照射し、前記被照射体表面に照射された光の反射光をカメラで検出し、前記カメラで検出した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とする。

本発明のレーザ照射方法は、少なくとも２つのアライメントマーカーが設けられた被照射体表面をカメラで撮像し、前記カメラで撮像した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出し、前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正して前記被照射体表面に照射される線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とする。

本発明のレーザ照射方法は、少なくとも２つのアライメントマーカーが設けられた被照射体表面をカメラで撮像し、前記カメラで撮像した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出し、前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正して前記被照射体表面に照射される線状ビームの照射位置のずれを補正し、前記被照射体表面に線状ビームを照射し、前記被照射体表面に照射された光の反射光をカメラで検出し、前記カメラで検出した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とする。

レーザビームの照射が悪影響を与えない領域にレーザビームを照射してレーザアニールされた領域、又は線状ビームの走査方向と交わる方向に複数設けられたマーカーをカメラ等の位置検出手段により検出し、レーザビームの照射位置を補正することで、温度変化による熱膨張または収縮によるレーザビームの照射位置のずれを少なくし、被照射面上において高精度にレーザビームを照射することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いながら説明する。但し、本発明は以下の形態に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）

本実施の形態では、レーザービーム照射後に、レーザアニールされた領域を観測することにより、レーザビームの所望の位置からのずれを補正する方法を図１〜図３を用いて説明する。ここでは、マーカーを有する半導体膜が成膜されたガラス基板を、ＸＹステージに設置して、その半導体膜を線状ビームによりレーザアニールする例を示す。なお、線状ビームとは、被照射面における形状が線状であるレーザビームのことである。ここでいう「線状」とは、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比が大きい矩形（例えば、アスペクト比が１０以上（好ましくは１００以上））を意味する。なお、線状とするのは、被照射体に対して十分なアニールを行うためのエネルギー密度を確保するためであり、矩形状や楕円状であっても被照射体に対して十分なアニールを行うことができればよい。

図１は本実施の形態の構成を示す模式図である。図１において、レーザ発振器１００から射出されたレーザビーム１０１は光学系１０３を通ってガラス基板１０４表面に照射される。そして、ガラス基板１０４表面に照明１０５によって光が照射され、その反射光がカメラ１０６に入射される。カメラ１０６はレーザビーム１０１の照射後の領域およびその近傍のパターンを画像信号に変換し、変換された画像信号が画像処理装置１０７に送られ、画像処理装置１０７において処理された画像信号がモニター１０８に送られる。操作者はモニター１０８を通してレーザビームの照射後の領域とその近傍のパターンを観測することができる。なお、本実施の形態において、ガラス基板１０４が設置されたＸＹステージ１０９は駆動装置１１０によって走査され、駆動装置１１０、画像処理装置１０７、及び照明１０５はコントローラ１１１によって制御される。また、カメラ１０６は固定されており、ＸＹステージ１０９を駆動することで観測位置を変えることができる。レーザ発振器１００とガラス基板１０４との光路間に配置された光学系１０３は、レーザ発振器１００から射出したレーザビーム１０１をガラス基板１０４表面で線状ビームとなるように成形するためのものである。なお、カメラ１０６として例えばＣＣＤカメラを用いることができる。

次に、図２を用いてレーザ照射位置のずれを制御する方法を説明する。まず、マーカー２０１、２０２を有する半導体膜２０３が形成されたガラス基板１０４を用意する。なお、マーカーの個数は特に限定されず、レーザの照射位置を確定できればいくつ設けてもよい。

続いて、ＸＹステージ１０９上にガラス基板１０４を設置する。このとき、２つのマーカー２０１、２０２を結ぶ直線と、線状ビーム２０４の長軸方向と、ＸＹステージ１０９のＹ軸が平行になるように配置することが好ましい。次に、ＸＹステージ１０９を移動させることによりマーカー２０１の位置をカメラ１０６で検出後、前記マーカー２０１が検出された位置からガラス基板１０４をＹ方向に移動させ、カメラ１０６によりマーカー２０２を検出する。これによりレーザの照射位置を確定する。なお、上述では、線状ビーム２０４の長軸方向とＸＹステージ１０９のＹ軸を平行に配置したが、そのＸ軸と平行に配置してもかまわない。このときは、Ｙ軸をＸ軸に、Ｙ軸方向をＸ軸方向に置き換えて考える。

次に、線状ビーム２０４を半導体膜２０３に照射しながらＸＹステージ１０９をＸ軸方向に動作させ、半導体膜２０３をレーザアニールする。このとき、線状ビーム２０４の長軸方向はＹ軸方向と平行になるようにする。その後、レーザアニールされた領域をカメラ１０６で検出する。図２において領域２１１は線状ビーム２０４が照射された領域を示している。

その後、再びＸＹステージ１０９をＸ軸方向に動作させ、カメラ１０６によりマーカーを検出する。続いて、ＸＹステージ１０９をＹ軸方向に動作させ、レーザアニールされた領域、つまり大粒径結晶領域をカメラ１０６により検出する。カメラ１０６がマーカーを検出してから大粒径結晶領域を検出するまでにＸＹステージがＹ軸方向に動作した距離をａとする。

ここで、ガラス基板１０４上における線状ビーム２０４の照射位置とカメラ１０６の視野位置とを考えると、線状ビーム２０４の照射位置のＹ座標とカメラ１０６のＹ座標が等しいことが好ましい。なぜなら、カメラ１０６の位置を基準に線状ビームのガラス基板上の照射位置が決められるため、それらの相対位置が離れていればいるほど、誤差が大きくなるためである。しかしながら、実際は、カメラ１０６のＹ座標を所望の照射位置（ここではマーカー２０１の位置）にあわせたときに、線状ビーム２０４をマーカー２０１の位置に照射することは困難である。よって、線状ビーム２０４の実際の照射位置のＹ座標は、カメラ１０６及びマーカー２０１のＹ座標とずれた位置になってしまう。つまり、線状ビーム２０４は、マーカー２０１からＹ軸方向に距離ａだけずれた位置に照射される（図２）。ここで、距離ａはＸＹステージ１０９のエンコーダにより測定した値とする。ここで、設計上では距離ａ＝０となるべきであるが、実際は周囲の環境変化などにより距離ａは０以外の値になってしまう場合が多い。そこで、基板をＹ軸方向に距離ａだけ戻すことによりレーザビームを所望の照射位置に照射することが可能となる。

ここで、レーザアニールされた領域をカメラ１０６で検出する方法を説明する。半導体膜上に線状ビーム２０４を照射してレーザアニールされた領域は、半導体膜２０３表面の状態がレーザアニールされていない領域とは異なる。そのため、この領域を簡便に検出するには、半導体膜２０３表面に斜めから投光し、その散乱光の量をＣＣＤカメラ等で検出すればよい。レーザアニールされた領域とされていない領域では、散乱光の量が異なるため、レーザビームが照射された領域と未照射の領域を判別することができる。

例えば、図３（Ａ）に示すように、照明１０５を半導体膜２０３に斜めから投光し、カメラ１０６にガラス基板１０４表面あるいは内部からの正反射光が入らない角度に調整する。レーザビームの照射領域は未照射領域に比べて表面の凹凸が大きいため、散乱光の強度が高く、これにより照射領域を検出することができる。また、図３（Ｂ）に示すように、レーザビームの照射領域３０１と未照射領域３０２の境界を高倍率カメラにて検出することにより、より高精度に距離ａを測定することができる。

本実施の形態において、レーザビームを照射してレーザアニールされた領域をカメラ等の位置検出手段により検出し、レーザビームを照射する位置を補正することで、温度変化による熱膨張または収縮によるレーザビームの照射位置のずれを少なくし、半導体膜上において高精度にレーザビームを照射することができる。また、ＴＦＴを作製する場合、ＴＦＴを形成しない領域をレーザアニールしてカメラ等により位置を検出するため、ＴＦＴの特性に影響を与えることがない。さらに、半導体膜の所望の位置に正確にレーザを照射することができるため、所望の位置を均一にレーザアニールすることができ、特性のよいＴＦＴを効率よく作製することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態において、複数のマーカーの相対位置を検出して、レーザ照射位置の所望の照射位置からのずれを補正する方法を説明する。なお、図４において図１〜図３と同じ部分は同じ符号を用いて示し、説明は省略する。図４は、ＸＹステージ及びＸＹステージ上に設けられた試料の一部を示す図である。

まず、互いに距離Ｌ離れた２つのマーカー４０１、４０３が形成された半導体膜２０３が表面に形成されたガラス基板１０４を用意する（図４）。ここで、本来ならガラス基板１０４上においてマーカー４０３はマーカー４０１から距離Ｌだけ離れた位置（図４のマーカー４０２の位置）に形成されているはずであるが、周囲の環境変化により距離Ｌとは異なる距離Ｎだけ離れた位置にマーカー４０３が形成される。

次に、ＸＹステージ１０９上にガラス基板１０４を設置する。このとき、２つのマーカー４０１、４０３を結ぶ直線と、線状ビームの長軸方向と、ＸＹステージ１０９のＹ軸方向が平行になるように配置する。ＸＹステージ１０９を移動させることによりマーカー４０１の位置をカメラ１０６で検出し、前記マーカー４０１が検出された位置からＸＹステージ１０９をＹ方向に移動させ、カメラ１０６によりマーカー４０３を検出する。このとき、本来ならＸＹステージ１０９がＹ方向に移動した距離、つまりマーカー４０１とマーカー４０３の距離は設計上で決められたマーカー４０１、４０２間の距離Ｌと一致するはずであるが、周辺環境の変化のために、マーカー４０１、４０３間の距離は、設計上の距離Ｌとは異なった値となる。このＸＹステージ１０９が移動した距離をＮとする。なお、この距離Ｎは、ＸＹステージ１０９に取り付けられたエンコーダなどの測長器で測定された値である。この測長器にガラス基板１０４とほぼ同等の熱膨張率をもつスケールを持たせると、ガラス基板１０４とスケールが周囲の温度に同調して同様のサイズ変化をするため、周囲の温度変化によらず、精度の高い測長が可能となる。

ＸＹステージ１０９の測長器において、距離Ｎを距離Ｌとみなし、ＸＹステージ１０９の座標を張り替えることにより、より正確な位置にレーザアニールを行うことができるようになる。ここでは、Ｙ軸方向の位置決め精度をより高くする例を示したが、これは本発明のレーザアニール方法が、線状ビームの長軸方向において、より高い精度を求めるからである。なお、上述の例では、線状ビームの長軸方向とＸＹステージのＹ軸を平行に配置したが、そのＸ軸と平行に配置してもかまわない。このときは、Ｙ軸をＸ軸に、Ｙ方向をＸ方向に置き換えて考える。

この後、実施の形態１に示すように、レーザビーム照射後に、レーザアニールされた領域を観測することにより、レーザビームの所望の位置からのずれを補正してもよい。この場合、実施の形態１の図２と同様に線状ビーム２０４は、カメラ１０６からＹ軸方向に距離ａだけずれた位置に照射される。本実施の形態の場合、距離Ｎを距離Ｌとみなし、ＸＹステージ１０９の座標を張り替えているため、距離ａを張り替えた座標に換算して用いる。それによりレーザビームが所望の照射位置に照射される。

なお、レーザビームの照射位置のずれ量は０となるようにレーザビームの照射位置を補正することが好ましいが、大きさが数ｍｍ角以下、大きくても数１０ｍｍ角の半導体装置を作製する際は、３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の範囲内に収まるように補正すれば半導体装置の特性への影響が少ない。また、装置配置の都合上、レーザビームの照射位置のずれ量を０とできない場合は、あらかじめ装置にレーザビームの照射位置のずれ量を記憶させ、補正値として用いてもよい。この場合も、記憶されたずれ量の誤差は前述の範囲に抑える必要がある。実施の形態１と実施の形態２を組み合わせて用いることにより、レーザの照射位置のずれをより精度よく補正することが可能となる。

本実施の形態では、あらかじめ決められたマーカー間の距離と実際に測定したマーカー間の距離の差を補正することで、ステージとガラス基板の間で生じる熱膨張によるレーザ照射位置のずれ、及び、マーカーを形成する前工程の装置とのスケールの差を補正することが可能となる。よって、温度変化による熱膨張または収縮によるレーザビームの照射位置のずれを少なくし、半導体膜上において高精度にレーザビームを照射することができる。また、ＴＦＴを作製する場合、ＴＦＴを形成しない領域をレーザアニールしてカメラ等により位置を検出するため、ＴＦＴの特性に影響を与えることがない。さらに、半導体膜の所望の位置に正確にレーザを照射することができるため、所望の位置を均一にレーザアニールすることができ、特性のよいＴＦＴを効率よく作製することが可能である。

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体膜を結晶化する工程について説明する。なお、図５において図１〜図４と同じ部分は同じ符号を用いて示し、説明は省略する。図５に、本実施の形態におけるレーザ照射装置の一部を示す。

本実施の形態においては、図５に示すレーザ発振器１００は、出力２０Ｗ、波長５３２ｎｍ、ビーム径２ｍｍ、ビームの横モードがＴＥＭ_００のＣＷレーザ発振器を用いる。

レーザ発振器１００から射出したレーザビームは、スリット５０２によってレーザビームのエネルギー密度の弱い部分を遮断され、ミラー５０３によってガラス基板１０４上に成膜された半導体膜２０３に対して垂直方向に偏向される。

前記偏向されたレーザビームは、一方向にのみ作用するシリンドリカルレンズ５０４によって、スリット５０２の像を照射面である半導体膜２０３上に投影される。このときレーザビームの照射面に対する入射角度は垂直とする。

さらに、レーザビームはシリンドリカルレンズ５０４とは作用する方向が９０度異なるシリンドリカルレンズ５０５によって集光され、半導体膜２０３に照射される。つまり、シリンドリカルレンズ５０４は照射面における線状ビーム２０４の長軸方向にのみ作用し、シリンドリカルレンズ５０５は短軸方向にのみ作用することになる。

本発明では、結晶性不良領域を減少させ、さらにＴＦＴの形成領域に結晶性不良領域が形成されるのを防ぐため、光路中に単スリットを設けた光学系を用いた。しかし、スリットを用いると光の回折が生じ半導体膜に回折の影響により縞模様が現れる。縞模様の発生を防ぐために、本発明では、シリンドリカルレンズ５０４とスリット５０２及び照射面となる半導体膜２０３との間の位置関係を以下の式１、式２に従うものとする。

Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ・・・（式１）

Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ・・・（式２）

式１、式２において、ｓはスリットの幅、Ｄは線状ビームの長軸方向の長さ、ｆはシリンドリカルレンズの焦点距離、Ｍ１はスリット５０２とシリンドリカルレンズ５０４の間隔、Ｍ２はシリンドリカルレンズ５０４と照射面となる半導体膜２０３との間隔である。

これにより、スリットの像がシリンドリカルレンズによって照射面に投影される。スリットの位置では、レーザビームに回折が生じていないため、この位置では回折による縞は発生しない。したがって、スリットの像を投影される照射面においても、縞は発生しない。

本実施の形態において、シリンドリカルレンズ５０４の焦点距離１５０ｍｍ、スリットの幅０．５ｍｍ、照射面となる半導体膜２０３上に整形する線状ビームの長軸方向の長さ０．５ｍｍとすると、それらに基づいて式１及び式２を満たすために必要なスリット５０２とシリンドリカルレンズ５０４の光路上の間隔（Ｍ１）及びシリンドリカルレンズ５０４と半導体膜２０３の光路上の間隔（Ｍ２）を求めると以下の式３及び式４のように値が求められる。

Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ＝１５０×（０．５＋０．５）／０．５＝３００ｍｍ・・・（式３）
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ＝１５０×（０．５＋０．５）／０．５＝３００ｍｍ・・・（式４）

本実施の形態では式３及び式４で求めた位置関係を満たすようにこれらを配置し、レーザビームを半導体膜上に照射したところ、回折による縞は伝達されなくなり、レーザビームが均一に照射され大粒径結晶領域の幅が０．５ｍｍで、結晶性不良領域がほとんど形成されることなく大粒径結晶がむら無く均一に形成できる。

上記のような光学系を用いて線状に成形された線状ビームを、Ｘ軸ステージ５０９及びＹ軸ステージ５１０上に設置されたガラス基板１０４上に成膜された半導体膜２０３に照射しながら、４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で走査移動させることによりガラス基板全面に大粒径結晶を作製できる。

次に、レーザを照射する位置のずれを補正する方法について説明する。ガラス基板上に成膜された半導体膜２０３には、図５、６で示すようにあらかじめ複数のマーカー５１２ａ〜５１２ｃが設けられている。なお、図６は図５を上から見た図である。

まず、Ｘ軸ステージ５０９、Ｙ軸ステージ５１０、θステージ５０８を用いて、ステージとは別に固定されたＣＣＤカメラ１０６で半導体膜２０３上のマーカー５１２ａ、５１２ｂをそれぞれ検出する。

ここで、マーカーの検出精度を高めるために、用いるＣＣＤカメラのレンズは高倍率の方が好ましい。しかし、ガラス基板をステージ上に置く精度の悪化などにより、マーカーの位置精度が悪化した場合には、ＣＣＤカメラでマーカーを検出できる有効範囲を高めるために、ズーム可能なＣＣＤカメラを用いても良いし、粗調整用の低倍率レンズ及び微調整用の高倍率レンズを備えたＣＣＤカメラを用いても良い。

マーカー５１２ａ、５１２ｂは、ＴＦＴのチャネル方向と平行になるように配置されており、マーカー５１２ａ、５１２ｂを検出し、θステージ５０８を用いて回転方向の角度調整を行うことで、ＴＦＴのチャネル方向と線状ビーム２０４の走査方向を平行にすることができる。

前述したθステージによる角度調整を怠ると、ＴＦＴの形成位置に結晶性不良領域が形成される可能性があり、歩留まり低下の原因となる。

θステージ５０８の角度を調整した後、Ｘ軸ステージ５０９、Ｙ軸ステージ５１０を用いて、ＣＣＤカメラ１０６でマーカー５１２ａ、５１２ｃをそれぞれ検出する。

マーカー５１２ａ、５１２ｃは所望の距離だけ離れているはずであるが、実際にカメラ１０６によってマーカーの位置を検出して求めた２つのマーカーの間隔は、所望の距離から少しだけずれている。このずれを検出して、Ｘ軸ステージおよびＹ軸ステージの絶対位置の補正を行う。

線状ビーム２０４の位置のずれを補正した後、ＸステージおよびＹステージの走査を繰り返すことで、正確にＴＦＴを作製する領域に大粒径結晶を形成することが可能となる。

本実施の形態において、半導体膜の所望の位置に精度よくレーザビームを照射することができ、所望の位置を均一にレーザアニールすることが可能である。よって、品質が良好でばらつきのない半導体装置を効率良く作製することができ、コストの低減に有効である。このような手法で大粒径結晶を形成した半導体膜を用いてＴＦＴを作製することができ、高速デバイスを作製することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態においては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する工程について説明する。なお、本実施の形態ではトップゲート型（順スタガ型）ＴＦＴの作製方法を記載しているが、トップゲート型ＴＦＴに限らず、ボトムゲート型（逆スタガ型）ＴＦＴなどでも同様に本発明を用いることができる。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて用いることができる。

図７は、図１のＸＹステージ１０９を示したものである。ＸＹステージ１０９は、吸着機能を有し、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に沿って移動することができる。まず、図７に示すように、吸着機能を持ったＸＹステージ１０９上に、絶縁表面を有する絶縁基板７００、下地膜７０１、非晶質半導体膜７０２を順次形成したものを設置する。絶縁基板７００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ステンレス基板等を用いることができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮに代表されるプラスチックや、アクリル等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に他の基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることができる。

下地膜７０１は、絶縁基板７００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。そのため、アルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜中への拡散を抑えることができる酸化珪素や、窒化珪素、窒素を含む酸化珪素、酸素を含む窒化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍの膜厚になるように成膜する。ガラス基板又はプラスチック基板のようにアルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がたいして問題とならない場合には必ずしも設ける必要はない。

下地膜７０１上に、膜厚２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）程度の非晶質半導体膜７０２が形成されている。非晶質半導体膜としては、珪素やゲルマニウムを含む珪素を用いることができる。ゲルマニウムを含む珪素を用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度であることが好ましい。

図８は、図７の上面図である。非晶質半導体膜７０２上には、複数のアライメントマーカー８０１〜８０３が形成されている。ここで、実施の形態１及び実施の形態２に示す方法を用いて、線状ビーム２０４の所望の照射位置からのずれを補正する。図７及び図８において、矢印に沿って線状ビーム２０４が照射されている。

図９は、図８のＭとＮを結ぶ破線における断面図である。図９（Ａ）に示すように、絶縁基板７００上に下地膜７０１、非晶質半導体膜７０２が順次積層して形成されている。線状ビームは、非晶質半導体膜７０２の表面において、図９（Ｂ）に示した矢印の方向に向かって走査する。その線状ビームの照射により走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。前記のように、走査方向に向かって長く延びた結晶の粒を形成することで、結晶性半導体膜６０６ａにおけるチャネルのキャリア移動方向には結晶粒界のほとんど存在しないＴＦＴの形成が可能となる。

その後、図９（Ｃ）に示すように結晶性半導体膜６０６ａを加工し、島状の半導体膜７０４〜７０７を形成する。島状の半導体膜７０４〜７０７を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子を形成する。次に、その島状の半導体膜７０４〜７０７を覆うようにゲート絶縁膜７０８を形成する。そのゲート絶縁膜７０８には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用いることができる。その際の成膜方法には、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。例えば、スパッタ法を用いて、膜厚３０ｎｍ〜２００ｎｍの珪素を含む絶縁膜を形成すればよい。

次に、ゲート絶縁膜上に導電膜を形成しエッチングすることでゲート電極を形成する。その後、ゲート電極、又はレジストを形成しエッチングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜７０４〜７０７にｎ型またはｐ型の導電性を付与する不純物を選択的に添加し、ソース領域、ドレイン領域、さらにはＬＤＤ領域等を形成する。上述の工程によって、Ｎ型トランジスタ７１０、７１２と、Ｐ型トランジスタ７１１、７１３を同一基板上に形成することができる（図９（Ｄ））。続いて、それらの保護膜として絶縁膜７１４を形成する。この絶縁膜７１４には、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、膜厚１００ｎｍ〜２００ｎｍの珪素を含む絶縁膜を、単層又は積層構造として形成すれば良い。例えば、プラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成すればよい。

次いで、絶縁膜７１４上に、有機絶縁膜７１５を形成する。有機絶縁膜７１５としては、ＳＯＧ法によって塗布されたポリイミド、ポリアミド、ＢＣＢ、アクリル等の有機絶縁膜を用いる。その有機絶縁膜７１５は、絶縁基板７００上に形成されたＴＦＴによる凹凸を緩和し、平坦化する意味合いが強いので、平坦性に優れた膜が好ましい。さらに、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁膜７１４及び有機絶縁膜７１５をパターン加工して、不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。

次に、導電性材料を用いて、導電膜を形成し、該導電膜をパターン加工して、配線７１６〜７２３を形成する。その後、保護膜として絶縁膜７２４を形成すると、図９（Ｄ）に図示するような半導体装置が完成する。なお、本発明のレーザアニール方法を用いた半導体装置の作製方法は、上述したＴＦＴの作製工程に限定されない。本実施の形態では、レーザビームの照射方法を用いて得られる結晶性半導体膜をＴＦＴの活性層として用いる。その結果、素子間の移動度、閾値及びオン電流のばらつきを抑えることができる。なお、レーザビームは、本実施の形態で示した照射条件に限定されない。

また、レーザビームによる結晶化の前に、触媒元素を用いた結晶化工程を設けてもよい。その触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を用いているが、それ以外にもゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いることができる。触媒元素を用いた結晶化工程の後に、レーザビームによる結晶化工程を行うと、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、レーザビームの照射により溶融されずに残存し、この結晶を結晶核として結晶化が進む。

そのため、レーザビームによる結晶化工程のみの場合に比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザビームによる結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられる。よって、後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられ、オフ電流を抑えることができる。なお、触媒元素を添加してから加熱処理を行って結晶化を促進してから、レーザビームの照射により結晶性をより高めていてもよいし、加熱処理の工程を省略してもよい。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザビームを照射し、結晶性を高めるようにしてもよい。

本実施の形態において、半導体膜の所望の位置に精度よくレーザを照射することができ、所望の位置を均一にレーザアニールすることが可能である。よって、品質が良好でばらつきのない半導体装置を効率良く作製することができ、コストの低減に有効である。

（実施の形態５）
本発明のレーザ照射位置のずれを補正する方法を用いて作製した半導体装置を用いて様々な電子機器を作製することができる。電子機器の具体例を図を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて用いることができる。

図１０（Ａ）は表示装置であり、筐体２２０１、支持台２２０２、表示部２２０３、スピーカー部２２０４、ビデオ入力端子２２０５などを含む。表示部２２０３は、薄膜トランジスタで画素を構成するものであり、薄膜トランジスタは実施の形態３と同様の方法で作製される。それにより、半導体膜にレーザの干渉縞が生じることなく結晶領域の面積を増やし、かつ結晶性不良領域の面積を少なくすることが可能となり、表示装置の生産性を向上させることができる。さらに、本発明は、大面積基板のレーザ照射処理を効率よく行うことができるため、表示装置の生産性を向上させることができる。よって、大画面の表示装置の生産コストの削減に寄与することができる。また、表示部２２０３はメモリ、駆動回路部等を有していてもよく、本発明の半導体装置をメモリ、駆動回路部等に適用してもよい。なお表示装置として、液晶の電気光学効果を利用した液晶表示装置、エレクトロルミネセンス等の発光材料を用いた表示装置、電子源素子を用いた表示装置、磁場の印加により反射率が変化するコントラスト媒体（電子インクとも呼ばれる）を用いた表示装置など、薄膜トランジスタと各種表示媒体を組み合わせた様々なものが含まれる。利用形態として、コンピュータ用、テレビジョン用、電子書籍等の情報表示機器用、広告表示用若しくは案内表示用など全ての情報表示用機器が含まれる。

図１０（Ｂ）はコンピュータであり、筐体２２１１、表示部２２１２、キーボード２２１３、外部接続ポート２２１４、ポインティングマウス２２１５などを含む。表示部２２１２やコンピュータに付随するＣＰＵ、メモリ、駆動回路部などに薄膜トランジスタを有する。本発明のレーザ照射装置を用いて作製された薄膜トランジスタを、表示部２２１２やコンピュータに付随するＣＰＵ、メモリ、駆動回路部などに用いることで、品質が向上し、品質のばらつきを少なくすることができる。

また、図１０（Ｃ）は携帯電話機であり、携帯端末の１つの代表例である。この携帯電話機は筐体２２２１、表示部２２２２、操作キー２２２３などを含む。表示部２２２２や携帯電話機に付随するＣＰＵ、メモリなどの機能回路部に薄膜トランジスタを有する。本発明のレーザ照射装置を用いて作製された薄膜トランジスタを、表示部２２２２や携帯電話機に付随するＣＰＵ、メモリなどの機能回路部に用いることで、品質が向上し、品質のばらつきを少なくすることができる。本発明のレーザ照射装置を用いて作製された半導体装置は、上記の携帯電話を初めとして、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔｓ、情報携帯端末）、デジタルカメラなどのカメラ、小型ゲーム機などの電子機器に用いることができる。

また、図１０（Ｄ）、（Ｅ）はデジタルカメラである。なお、図１０（Ｅ）は、図１０（Ｄ）の裏側を示す図である。このデジタルカメラは、筐体２２３１、表示部２２３２、レンズ２２３３、操作キー２２３４、シャッター２２３５などを有する。表示部２２３２や表示部２２３２を制御する駆動回路部などに薄膜トランジスタを有する。本発明のレーザ照射装置を用いて作製された薄膜トランジスタを、表示部２２３２や表示部２２３２を制御する駆動回路部、及び他の回路などに用いることで、品質が向上し、品質のばらつきを少なくすることができる。

図１０（Ｆ）はデジタルビデオカメラである。このデジタルビデオカメラは、本体２２４１、表示部２２４２、筐体２２４３、外部接続ポート２２４４、リモコン受信部２２４５、受像部２２４６、バッテリー２２４７、音声入力部２２４８、操作キー２２４９、接眼部２２５０などを有する。表示部２２４２や表示部２２４２を制御する駆動回路部などに薄膜トランジスタを有する。本発明のレーザ照射装置を用いて作製された薄膜トランジスタを、表示部２２４２や表示部２２４２を制御する駆動回路部、及び他の回路などに用いることで、品質が向上し、品質のばらつきを少なくすることができる。

また、本発明のレーザ照射位置のずれを補正する方法を用いて作製した薄膜トランジスタを薄膜集積回路、または非接触型薄膜集積回路装置（無線ＩＣタグ、ＲＦＩＤ（無線認証、ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）とも呼ばれる）として用いることもできる。他の実施の形態で示した作製方法を用いることにより作製された薄膜集積回路および非接触型薄膜集積回路は、タグやメモリに用いることができる。

図１１（Ａ）は、パスポート２３０１に無線ＩＣタグ２３０２を貼り付けている状態を示している。また、パスポート２３０１に無線ＩＣタグ２３０２を埋め込んでもよい。同様にして、運転免許証、クレジットカード、紙幣、硬貨、証券、商品券、チケット、トラベラーズチェック（Ｔ／Ｃ）、健康保険証、住民票、戸籍謄本などに無線ＩＣタグを貼り付けたり、埋め込んだりすることができる。この場合、本物であることを示す情報のみを無線ＩＣタグに入力しておき、不正に情報を読み取ったり書き込んだりできないようにアクセス権を設定する。このようにタグとして利用することによって、偽造されたものと区別することが可能になる。

このほかに、無線ＩＣタグをメモリとして用いることも可能である。図１１（Ｂ）は、無線ＩＣタグ２３１１を野菜の包装に貼り付けるラベルに埋め込んだ例を示している。また、包装そのものに無線ＩＣタグを貼り付けたり埋め込んだりしても構わない。無線ＩＣタグ２３１１には、生産地、生産者、製造年月日、加工方法などの生産段階のプロセスや、商品の流通プロセス、価格、数量、用途、形状、重量、賞味期限、各種認証情報などを記録することが可能になる。無線ＩＣタグ２３１１からの情報は、無線式のリーダ２３１２のアンテナ部２３１３で受信して読み取り、リーダ２３１２の表示部２３１４に表示することによって、卸売業者、小売業者、消費者が把握することが容易になる。また、生産者、取引業者、消費者のそれぞれに対してアクセス権を設定することによって、アクセス権を有しない場合は読み込み、書き込み、書き換え、消去ができない仕組みになっている。

また、無線ＩＣタグは以下のように用いることができる。会計の際に無線ＩＣタグに会計を済ませたことを記入し、出口にチェック手段を設け、会計済みであることを無線ＩＣタグに書き込まれているかをチェックする。会計を済ませていないで店を出ようとすると、警報が鳴る。この方法によって、会計のし忘れや万引きを予防することができる。

さらに、顧客のプライバシー保護を考慮すると、以下に記す方法にすることも可能である。レジで会計をする段階で、（１）無線ＩＣタグに入力されているデータを暗証番号などでロックする、（２）無線ＩＣタグに入力されているデータそのものを暗号化する、（３）無線ＩＣタグに入力されているデータを消去する、（４）無線ＩＣタグに入力されているデータを破壊する、のいずれかを行う。そして、出口にチェック手段を設け、（１）〜（４）のいずれかの処理が行われたか、または無線ＩＣタグのデータに何も処理が行われていない状態であるかをチェックすることによって、会計の有無をチェックする。このようにすると、店内では会計の有無を確認することが可能であり、店外では所有者の意志に反して無線ＩＣタグの情報を読み取られることを防止することができる。

なお、（４）の無線ＩＣタグに入力されているデータを破壊する方法をいくつか挙げることができる。例えば、（ａ）無線ＩＣタグが有する電子データの少なくとも一部に「０（オフ）」若しくは「１（オン）」、または「０」と「１」の両方を書き込んでデータのみを破壊する方法や、（ｂ）無線ＩＣタグに電流を過剰に流し、無線ＩＣタグが有する半導体素子の配線の一部を物理的に破壊する方法などを用いることができる。

以上に挙げた無線タグは、従来用いているバーコードより製造コストが高いため、コスト低減を図る必要がある。本発明を用いることによって、半導体膜の所望の位置に精度よくレーザを照射することができ、所望の位置を均一にレーザアニールすることが可能である。よって、品質が良好でばらつきのない半導体装置を効率良く作製することができ、それを用いた電子機器のコストの低減に有効である。さらに、どの無線タグも品質が高く、性能のばらつきがない信頼性の高い無線タグを製作することができる。

以上のように、本発明により作製された半導体装置の適用範囲は極めて広く、本発明により作製された半導体装置をあらゆる分野の電子機器に用いることができる。

レーザ照射装置の模式図。レーザ照射装置の模式図。レーザ照射装置の模式図。レーザ照射装置の模式図。レーザ照射装置の模式図。レーザ照射装置の模式図。本発明の半導体装置の作製工程を示す図。本発明の半導体装置の作製工程を示す図。本発明の半導体装置の作製工程を示す図。本発明により作製した半導体装置を用いた電子機器を表す図。本発明により作製した半導体装置を用いた電子機器を表す図。

符号の説明

１００レーザ発振器
１０１レーザビーム
１０３光学系
１０４ガラス基板
１０５照明
１０６カメラ
１０７画像処理装置
１０８モニター
１０９ＸＹステージ
１１０駆動装置
１１１コントローラ

Claims

レーザビームを射出するレーザ発振器と、
ＸＹステージと、
前記ＸＹステージ上に設けられる被照射体の表面において前記レーザビームを線状ビームに形成する光学系と、
前記被照射体の表面に光を照射する照明と、
前記被照射体表面での前記光の反射光を検出するカメラとを有し、
前記反射光から前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とするレーザ照射装置。
レーザビームを射出するレーザ発振器と、
ＸＹステージと、
前記ＸＹステージ上に設けられる少なくとも２つのアライメントマーカーが形成された被照射体の表面において前記レーザビームを線状ビームに形成する光学系と、
前記２つのアライメントマーカーを撮像するカメラと、
前記カメラで検出した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出する画像処理装置とを有し、
前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正して前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とするレーザ照射装置。
レーザビームを射出するレーザ発振器と、
ＸＹステージと、
前記ＸＹステージ上に設けられる少なくとも２つのアライメントマーカーが形成された被照射体の表面において前記レーザビームを線状ビームに形成する光学系と、
前記被照射体の表面に光を照射する照明と、
前記２つのアライメントマーカー及び前記被照射体表面での前記光の反射光を検出するカメラと、
前記カメラで検出した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出する画像処理装置とを有し、
前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正し、前記カメラで検出した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とするレーザ照射装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記被照射体はガラス基板上に形成された半導体膜であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記レーザ発振器として、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＧｄＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ又はＡｒレーザを用いることを特徴とするレーザ照射装置。
被照射体表面に線状ビームを照射し、
前記被照射体表面に照射された光の反射光をカメラで検出し、
前記カメラで検出した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とするレーザ照射方法。
少なくとも２つのアライメントマーカーが設けられた被照射体表面をカメラで撮像し、
前記カメラで撮像した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出し、
前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正して前記被照射体表面に照射される線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とするレーザ照射方法。
少なくとも２つのアライメントマーカーが設けられた被照射体表面をカメラで撮像し、
前記カメラで撮像した画像から前記２つのアライメントマーカー間の距離を検出し、
前記２つのアライメントマーカー間の距離とあらかじめ決められた前記２つのアライメントマーカー間の距離の差を補正して前記被照射体表面に照射される線状ビームの照射位置のずれを補正し、
前記被照射体表面に線状ビームを照射し、
前記被照射体表面に照射された光の反射光をカメラで検出し、
前記カメラで検出した前記反射光から検出された前記線状ビームの照射位置のずれを補正することを特徴とするレーザ照射方法。