JP2007214527A - レーザアニール方法およびレーザアニール装置 - Google Patents

レーザアニール方法およびレーザアニール装置 Download PDF

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Abstract

【課題】コスト面及びメンテナンス面で有利な固体レーザを用いつつ、等方的で均一な結晶粒を得ることができ、且つ処理能力を高めることができるレーザアニール方法およびレーザアニール装置を提供する。
【解決手段】本発明では、非晶質半導体膜（アモルファスシリコンなど）に照射する矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する。シリンドリカルレンズアレイ２６または導波路３６と、集光光学系２８，４４とにより、あるいは回折光学素子を含む光学系により、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化することができる。本発明により、非晶質半導体膜に照射される有効エネルギー範囲も広くなり、その分、基板３の搬送速度を速めることができるため、レーザアニールの処理能力が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ光源からのレーザ光を非晶質半導体膜の表面に照射して、非晶質半導体膜を多結晶化するレーザアニール方法およびレーザアニール装置に関するものである。
半導体、液晶の分野では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造工程において、キャリアの移動度を向上させるため、基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）にレーザビームを照射し、溶融、固化させて再結晶化させることにより多結晶シリコンを形成するレーザアニールが行われている。
このレーザアニールは、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光を、光学系を用いて断面が細長い矩形状のビームに加工し、この矩形状ビームを基板上のａ−Ｓｉ膜にビームの短軸方向に被照射面に対して相対移動させながら照射する。
このようなレーザアニールのレーザ光源として、従来は主にエキシマレーザが用いられているが、近年、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４等の固体レーザの基本波を可視領域に波長変換して利用するレーザアニール装置が注目されている（例えば下記特許文献１〜３を参照）。このように固体レーザが用いられるのは、エキシマレーザよりもコスト面、メンテナンス面で有利だからである。
また、多結晶シリコンや結晶シリコンのデバイスにおいても、不純物の活性化等のプロセスに、固体レーザの波長変換光が利用できると注目されている。
特開２００４−３４２９５４号公報 特開２００４−６３９２４号公報 特開２００３−３４７２３７号公報
固体レーザの可視光を用いたレーザアニール装置では、矩形状ビームの長軸方向についてはエネルギー分布を均一化するが、矩形状ビームの短軸方向については加工せずに元々のビームがもつガウシアン形状のエネルギー分布を利用して、半導体膜の結晶を膜の面方向に成長させることにより（これを一方向成長という）、大粒径の結晶粒を得ることができる。
しかしながら、一方向成長のために結晶粒に異方性を生じ、また、レーザパルスの１ショット毎のエネルギーのばらつきが成長距離に影響するために、等方的で均一な結晶粒を作製することが困難である。このため、トランジスタ特性が不均一になるという問題がある。
また、可視領域光のシリコン膜に対する吸収係数が低いため、固体レーザの可視領域光を用いたレーザアニールでは、入射レーザ光エネルギーの利用効率は低く、結晶化に多くのエネルギーが必要となり、処理能力が低いという問題がある。
また、レーザ光を低エネルギー密度で照射してガウシアン形状のエネルギー分布の勾配を緩やかにし、一方向成長距離を抑制することにより、固体レーザを用いつつ等方的で均一な結晶粒を得ることができる。しかしながら、このように低エネルギー密度の照射を行うと、処理能力が益々低下するという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、コスト面及びメンテナンス面で有利な固体レーザを用いつつ、等方的で均一な結晶粒を得ることができ、且つ処理能力を高めることができるレーザアニール方法およびレーザアニール装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法およびレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるレーザアニール方法は、固体レーザ光源から出射されたレーザ光を非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、該矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射して、該非結晶半導体膜を多結晶化するレーザアニール方法であって、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化したレーザ光を前記非晶質半導体膜に照射する、ことを特徴とする。
また、本発明にかかるレーザアニール装置は、固体レーザ光源から出射されたレーザ光を非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、該矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射して、該非結晶半導体膜を多結晶化するレーザアニール装置であって、前記レーザ光の光路上に、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸方向均一化手段を備える、ことを特徴とする。
なお、上記「矩形状ビーム」には、視覚的には直線状のビームであっても、細長い矩形状ビームとして、これに含まれる。
固体レーザの可視光を用いた結晶化のメカニズムについて、熱・凝固解析で検討した結果、等方的かつ均一な結晶粒を製作するためには、ある一定以上のエネルギー（これを「有効エネルギー」とする）を照射する必要があることが分かった。さらに、結晶粒径は有効エネルギーの入射回数により決まり、有効エネルギー以下のエネルギーは、結晶粒の増大に寄与しないことが分かった。従来では非晶質半導体膜に照射する矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布はガウシアン形状であったため、有効エネルギーの範囲はガウシアン形状の中心部付近のごく僅かな範囲であり、このため基板の搬送速度を遅くしなければ必要な照射回数を得ることができなかった。
これに対し、本発明では、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化し、これにより当該エネルギー分布をガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。このようにエネルギー分布を変形することにより、従来と同様の投入パワーであっても有効エネルギー領域を増大させることができるので、非晶質半導体膜に照射される有効エネルギー範囲も広くなり、その分、基板の搬送速度を速めることができる。このため、レーザアニールの処理能力が向上する。
また、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化されるため、結晶の一方向成長が起こらないので、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができる。
このように本発明によれば、コスト面及びメンテナンス面で有利な固体レーザを用いつつ、等方的で均一な結晶粒を得ることができ、且つ処理能力を高めることができる。
また、本発明にかかるレーザアニール装置では、前記短軸方向均一化手段は、前記レーザ光を前記矩形状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイまたは導波路と、該シリンドリカルレンズアレイまたは導波路からの出射光を前記非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光する集光光学系と、を有することを特徴とする。
また、本発明にかかるレーザアニール装置では、前記短軸方向均一化手段は、回折光学素子を含む光学系である、ことを特徴とする。
このように構成された短軸方向均一化手段により、レーザ光を矩形状ビームの短軸方向に対応する方向に分割し、非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームに集光するので、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化することができる。
また、本発明にかかるレーザアニール装置では、前記非晶質半導体膜はアモルファスシリコン膜である、ことを特徴とする。
本発明のレーザアニール装置でアモルファスシリコン膜をアニーリングすることにより、等方的かつ均一な結晶粒をもつ多結晶シリコン膜を得ることができので、キャリア移動度の高い良質な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製作することができる。
また、本発明にかかるレーザアニール装置では、前記固体レーザ光源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかである、ことを特徴とする。
このように信頼性の高い固体レーザを使用することにより、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。
本発明によれば、コスト面及びメンテナンス面で有利な固体レーザを用いつつ、等方的で均一な結晶粒を得ることができ、且つ処理能力を高めることができる、という優れた効果が得られる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
上述したようにレーザアニールでは、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光を、光学系を用いて基板上に形成された非晶質半導体膜（例えばａ−Ｓｉ膜）の表面において矩形状のビームに集光し、この矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射する。
図１は、上記の矩形状ビームの被照射面における短軸方向のエネルギー分布の形状（ピークエネルギー４５０ｍＪ／ｃｍ２、半値幅５０μｍの場合）を示しており、（Ａ）が従来技術のエネルギー分布形状であり、（Ｂ）が本発明のエネルギー分布形状である。このように、従来では矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布はガウシアン形状である。
本発明者は、固体レーザの可視光を用いた結晶化のメカニズムについて、熱・凝固解析で検討した結果、等方的かつ均一な結晶粒を製作するためには、ある一定以上のエネルギー（これを「有効エネルギー」と定義する。）をもつレーザ光を照射する必要があることを見出した。ａ−Ｓｉを多結晶化する場合、有効エネルギーは４３０ｍＪ／ｃｍ２以上である。また結晶粒径は有効エネルギーの入射回数により決まり、有効エネルギー以下のエネルギーは、結晶粒の増大に寄与しないことが分かった。
図１における従来のガウシアン形状のエネルギー分布では、ピークエネルギー４５０ｍＪ／ｃｍ２、半値幅５０μｍの場合で、短軸方向の有効エネルギー領域の幅は８μｍとなる。
図２は、図１に示したガウシアン形状をもつ矩形状ビームを照射した場合における、平均結晶粒径の有効エネルギーの入射回数依存性を示すものである。図２に示すように、結晶粒径は有効エネルギーの入射回数により決まるが、図１（Ａ）に示されるように有効エネルギー以下のエネルギーは、結晶粒の増大に寄与しない。
図３は、図１に示したガウシアン形状をもつ矩形状ビームを照射した場合における、有効エネルギーの入射回数の基板搬送速度依存性を示すものである。従来では矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布はガウシアン形状であったため、有効エネルギーの範囲はガウシアン形状の中心部付近のごく僅かな範囲（図１の例で８μｍ）であり、このため基板の搬送速度を遅くしなければ必要な照射回数を得ることができなかった。
これに対し、本発明のレーザアニール方法では、矩形状ビームをその短軸方向のエネルギー分布を均一化して、非晶質半導体膜に照射する。
本発明のレーザアニール方法によって照射した矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布形状は、図１（Ｂ）に示すようになる。このように矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化するので、そのエネルギー分布は、従来のガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。
そして、図１に示すように、加工前の形状がピークエネルギー４５０ｍＪ／ｃｍ２、半値幅５０μｍのガウシアン形状である場合に、この矩形状ビームのエネルギー分布をフラットトップ形状に加工すると、同じ投入パワーであっても有効エネルギー領域を５０μｍに増大させることができる。
したがって、本発明のレーザアニール方法によれば、非晶質半導体膜に照射される有効エネルギー範囲も広くなり、その分、基板の搬送速度を速めることができる。上記の例では、単純計算ではあるが、同じ径の結晶粒を得るために搬送速度を６．２５倍にすることが可能となる。したがって、レーザアニールの処理能力が飛躍的に向上する。
また、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化されるため、結晶の一方向成長が起こらないので、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができる。
よって、本発明によれば、コスト面及びメンテナンス面で有利な固体レーザを用いつつ、等方的で均一な結晶粒を得ることができ、且つ処理能力を高めることができる。
次に、上記のレーザアニール方法を実施するためのレーザアニール装置について、いくつかの実施形態を例示する。但し、本発明の範囲は、以下の実施形態の構成に限定されるものではない。
［第１実施形態］
図４、図５は、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す図であって、図４は固体レーザ光源１２の光軸に垂直な一方向（これをＸ方向とする）に係る構成図であり、図５は固体レーザの光軸及び上記のＸ方向に垂直な方向（これをＹ方向とする）に係る構成図である。なお、理解を容易にするため、図４においてＹ方向のみに影響する光学素子については仮想線で示しており、図５においてＸ方向のみに影響する光学素子については仮想線で示している。
このレーザアニール装置１０は、固体レーザ光源１２から出射されたレーザ光１を基板３上に形成された非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、この矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射して、非結晶半導体膜を多結晶化する装置である。上記の相対移動は、例えば、基板３を載せた基板ステージ５を矩形状ビームの短軸方向（図４で紙面に垂直方向）に移動させることにより行う。
本実施形態において、基板３はガラス基板であり、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などの成膜法により上記ガラス基板３上にＳｉＯ２膜が例えば２００ｎｍ成膜され、その上にａ−Ｓｉ膜が例えば５０ｎｍ成膜される。
本実施形態において、レーザアニール装置１０は、レーザ光１を出射する固体レーザ光源１２、レーザ光源１２からのレーザ光１をＸ方向及びＹ方向に拡大するビームエキスパンダ１４、レーザ光１のＸ方向の干渉作用を低減するＸ方向干渉低減光学系１８、レーザ光１をＸ方向に複数に分割するＸ方向シリンドリカルレンズアレイ２０、Ｘ方向に複数に分割されたレーザ光１を被照射面で集光するＸ方向集光レンズ２２、レーザ光１のＹ方向の干渉作用を低減するＹ方向干渉低減光学系２４、レーザ光１をＹ方向に複数に分割するＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６、Ｙ方向に複数に分割されたレーザ光１を被照射面で集光するＹ方向集光レンズ２８を備えている。
固体レーザ光源１２は、例えば２〜４ｋＨｚのパルス周波数でパルスレーザ光１を出力する。この固体レーザ光源１２の種類は特に限定されないが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかを用いるのが良い。これらの固体レーザは信頼性が高く、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。
また、シリコン膜に対しては、３３０ｎｍ〜８００ｎｍの可視光領域において吸収係数が高いため、固体レーザ光源１２としては、上記のＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ガラスレーザの第２又は第３高調波のパルスレーザ光１を出射するものが好適である。
ビームエキスパンダ１４は、凹球面レンズ１５と凸球面レンズ１６とからなり、固体レーザ光源１２から出射されたレーザ光１を凹球面レンズ１５で拡径して凸球面レンズ１６で平行光にする。
以下、Ｘ方向とＹ方向に分けて説明する。まず、図４を参照して、レーザ光１のＸ方向の加工について説明する。
Ｘ方向干渉低減光学系１８は、複数の透明ガラス板１８ａからなる。各透明ガラス板の幅（Ｘ方向寸法）はＸ方向シリンドリカルレンズアレイ２０の個々のレンズ幅（Ｘ方向寸法）と同一であり、各透明ガラス板１８ａはレーザ光１のコヒーレント長よりも長い所定の長さだけ光軸方向の長さが異なるものがＸ方向に配列されている。このＸ方向干渉低減光学系１８により、各透明ガラス板１８ａを通過したレーザ光１の光路はガラスの長さ分だけ長くなるため、それぞれのレーザ光１はコヒーレント長より長い距離の光路差が生じ、コヒーレント性の影響がなくなり、互いに干渉しなくなる。
ビームエキスパンダ１４により拡大されＸ方向干渉低減光学系１８を通過したレーザ光１は、Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ２０によりＸ方向に複数に分割される。Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ２０を通過し分割されたレーザ光１は、それぞれ一度焦点を結んだ後再び拡大して、シリンドリカルレンズからなるＸ方向集光レンズ２２により基板３上の被照射面においてＸ方向に細長い矩形状ビームとして結像される。このときの矩形状ビームの長軸方向の長さは、例えば数１０ｍｍとすることができる。
この矩形状ビームは、上記のＸ方向シリンドリカルレンズアレイ２０及びＸ方向集光レンズ２８を通過することにより長軸方向のエネルギー分布が均一化されている。
次に、図５を参照して、レーザ光１のＹ方向の加工について説明する。Ｙ方向干渉低減光学系２４は、複数の透明ガラス板２４ａからなる。各透明ガラス板２４ａの幅（Ｙ方向寸法）はＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６の個々のレンズ幅（Ｙ方向寸法）と同一であり、各透明ガラス板２４ａはレーザ光１のコヒーレント長よりも長い所定の長さだけ光軸方向の長さが異なるものがＹ方向に配列されている。このＹ方向干渉低減光学系２４により、各透明ガラス板２４ａを通過したレーザ光１の光路はガラスの長さ分だけ長くなるため、それぞれのレーザ光１はコヒーレント長より長い距離の光路差が生じ、コヒーレント性の影響がなくなり、互いに干渉しなくなる。
ビームエキスパンダ１４により拡大されＹ方向干渉低減光学系２４を通過したレーザ光１は、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６によりＹ方向に複数に分割される。Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６を通過し分割されたレーザ光１は、それぞれ一度焦点を結んだ後再び拡大して、２つのシリンドリカルレンズ２９、３０からなるＹ方向集光レンズ２８により基板３上の被照射面においてＹ方向に狭幅の矩形状ビームに集光される。すなわち、上記のＹ方向集光レンズ２８は、特許請求の範囲にいう「集光光学系」に相当する。
このように集光された矩形状ビームは、上記のＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６及びＹ方向集光レンズ２８を通過することにより短軸方向のエネルギー分布が均一化される。すなわち、本実施形態において、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６及びＹ方向集光レンズ２８は、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸方向均一化手段２５を構成している。このときの矩形状ビームの短軸方向の長さは、例えば数１０μｍとすることができるが、多結晶化のために有効エネルギー以上のエネルギー密度をもつように設定される必要がある。
上記のようにして固体レーザ光源１２から出射されたレーザ光１を基板３上に形成されたａ−Ｓｉ膜の表面において矩形状ビームに集光し、各レーザパルスショットによる照射範囲が重複する速度で基板ステージ５により矩形状ビームの短軸方向に基板３を搬送しながらレーザ光１を照射し、ａ−Ｓｉ膜を多結晶化する。このときの基板３の搬送速度は、レーザパルスショットによる重複照射回数が所望の結晶粒径（例えば２５０〜３５０ｎｍ）を得るために必要な有効エネルギーの入射回数となるように設定される。
このように、第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０によれば、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化されることにより、図１において説明したように、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布をフラットトップ形状とすることができるので、ａ−Ｓｉ膜に照射される有効エネルギー範囲も広くなり、その分、基板３の搬送速度を速めることができ、レーザアニールの処理能力が向上する。
なお、上記の第１実施形態では、Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ２０とＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６は別々の構成であったが、これらの両者の機能を兼ね備えた一体のレンズアレイとしてもよい。
また、Ｘ方向干渉低減光学系１８及びＹ方向干渉低減光学系２４は、本発明の実施に際し必須の構成ではないが、このような干渉低減光学系を用いることにより、コヒーレント性の高い固体レーザ光１を用いる場合でも干渉作用を低減して均一に照射することができる。また、Ｘ方向干渉低減光学系１８及びＹ方向干渉低減光学系２４は、他の公知の構成を採用してもよく、たとえば、特開２００３−３２１０８１号公報に記載された構成や、特開２００４−３４１２９９号公報の図４に記載された構成を採用してもよい。
［第２実施形態］
図６、図７は、本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す図であって、図６はＸ方向に係る構成図であり、図７はＹ方向に係る構成図である。
なお、理解を容易にするため、図６においてＹ方向のみに影響する光学素子については仮想線で示しており、図７においてＸ方向のみに影響する光学素子については仮想線で示している。また、図６、図７におけるＸ方向及びＹ方向の意味、及び図４、図５と同一符号のものは、これらの図と共通の構成を示しており、その説明は適宜省略する。
このレーザアニール装置１０は、固体レーザ光源１２から出射されたレーザ光１を基板３上に形成された非晶質半導体膜（本実施形態ではａ−Ｓｉ膜）の表面において矩形状ビームに集光し、この矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射して、非結晶半導体膜を多結晶化する装置である。
本実施形態において、レーザアニール装置１０は、レーザ光１を出射する固体レーザ光源１２、レーザ光源１２からのレーザ光１をＸ方向及びＹ方向に拡大するビームエキスパンダ１４、レーザ光１を導波路３６に導く入射レンズ３４、入射したレーザ光１をＸ方向及びＹ方向に複数に分割する導波路３６、Ｘ方向に分割されたレーザ光１をＸ方向に集光し被照射面で重ね合わせて結像するＸ方向端面転写光学系３８、レーザ光１のＸ方向の干渉作用を低減するＸ方向干渉低減光学系４２、Ｙ方向に分割されたレーザ光１をＹ方向に集光し被照射面で重ね合わせて結像するＹ方向端面転写光学系４４、及びレーザ光１のＹ方向の干渉作用を低減するＹ方向干渉低減光学系４８を備えている。
導波路３６は、中実平行六面体の透明体で形成されて、光軸に沿ってＸ方向に距離を置いて互いに対面するＸ方向反射面３６ａ，３６ｂと、光軸に沿ってＹ方向に距離を置いて互いに対面するＹ方向反射面３６ｃ，３６ｄを有する光学素子であり、例えばＢＫ７、光屈折ガラスなどからなる。Ｘ方向及びＹ方向のレーザ光１の分割数は、Ｘ方向反射面３６ａ，３６ｂ間の距離、Ｙ方向反射面３６ｃ，３６ｄ間の距離、導波路３６の光軸方向長さにより設定することができる。
以下、Ｘ方向とＹ方向に分けて説明する。まず、図６を参照して、レーザ光１のＸ方向の加工について説明する。
ビームエキスパンダ１４により拡大されたレーザ光１は、入射レンズ３４により導波路３６に導かれ、Ｘ方向に複数に分割される。導波路３６を通過し分割されたレーザ光１は、２つのシリンドリカルレンズ３９，４０からなるＸ方向端面転写光学系３８によりＸ方向に転写されて基板３上の被照射面においてＸ方向に細長い矩形状ビームとして結像される。このときの矩形状ビームの長軸方向の長さは、例えば数１０ｍｍとすることができる。なお、Ｘ方向端面転写光学系３８の２つのシリンドリカルレンズ３９，４０間にＸ方向干渉低減光学系４２が配置されており、複数に分割されたレーザ光１に光路差を付与して干渉作用を低減している。
この矩形状ビームは、上記の導波路３６及びＸ方向端面転写光学系３８を通過することにより長軸方向のエネルギー分布が均一化されている。
次に、図７を参照して、レーザ光１のＹ方向の加工について説明する。
ビームエキスパンダ１４により拡大されたレーザ光１は、入射レンズ３４により導波路３６に導かれ、Ｙ方向に複数に分割される。導波路３６を通過し分割されたレーザ光１は、２つのシリンドリカルレンズ４５，４６からなるＹ方向端面転写光学系４４によりＹ方向に転写されて基板３上の被照射面においてＹ方向に狭幅の矩形状ビームとして結像される。なお、Ｙ方向端面転写光学系４４の２つのシリンドリカルレンズ４５，４６間にＹ方向干渉低減光学系４８が配置されており、複数に分割されたレーザ光１に光路差を付与して干渉作用を低減している。上記のＹ方向端面転写光学系４４は、特許請求の範囲にいう「集光光学系」に相当する。
このように集光された矩形状ビームは、上記の導波路３６及びＹ方向端面転写光学系４４を通過することにより短軸方向のエネルギー分布が均一化される。すなわち、本実施形態において、導波路３６とＹ方向端面転写光学系４４により、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸方向均一化手段２５を構成している。このときの矩形状ビームの短軸方向の長さは、例えば数１０μｍとすることができるが、多結晶化のために有効エネルギー以上のエネルギー密度をもつように設定される必要がある。
上記のようにして固体レーザ光源１２から出射されたレーザ光１を基板３上に形成されたａ−Ｓｉ膜の表面において矩形状ビームに集光し、各レーザパルスショットによる照射範囲が重複する速度で基板ステージ５により矩形状ビームの短軸方向に基板３を搬送しながらレーザ光１を照射し、ａ−Ｓｉ膜を多結晶化する。このときの基板３の搬送速度は、レーザパルスショットによる重複照射回数が所望の結晶粒径（例えば２５０〜３５０ｎｍ）を得るために必要な有効エネルギーの入射回数となるように設定される。
このように矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化されることにより、図１において説明したように、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布をフラットトップ形状とすることができるので、ａ−Ｓｉ膜に照射される有効エネルギー範囲も広くなり、その分、基板３の搬送速度を速めることができ、レーザアニールの処理能力が向上する。
なお、上記の第２実施形態では、同一の導波路３６によりレーザ光１をＸ方向とＹ方向に分割したが、Ｘ方向分割用とＹ方向分割用の導波路を別々に設けるようにしてもよい。
また、短軸方向均一化手段は、上述した第１実施形態及び第２実施形態において説明したものに限られず、その他周知の光学系を用いて、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化してもよい。例えば、短軸方向均一化手段は、回折光学素子を含む光学系であってもよい。回折光学素子についての詳細な説明は省略するが、例えば、特開２００５−２１７２０９号公報などに開示されている。回折光学素子は、石英などの基板にフォトエッチング工程などにより微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面（基板表面）で所望のエネルギー分布が得られるように作製する。
［実施例］
以下、本発明の実施例について説明する。
図８は、図５に示した短軸方向均一化手段２５により、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布をフラットトップ形状に加工したときの短軸エネルギー分布形状を示す図である。図８から、最適化が不十分なため両端部がだれているが、フラットな領域が７５μｍ確保されていることが分かる。
図９は、短軸エネルギー分布をフラットトップ形状に加工したレーザ光を照射したａ−Ｓｉ膜のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を示すものである。図１０は、フラットトップ形状とガウシアン形状の２種類について、図９のＳＥＭ像から算出した平均粒径とＯ．Ｌ．（ｏｖｅｒｌａｐ）率の関係を示すものである。Ｏ．Ｌ．率とは、レーザショットが照射される毎に基板が移動する距離の、フラットな領域（ガウシアン形状の場合は半値幅）に対する割合を示したものである。
図１０から、ガウシアン形状がＯ．Ｌ．率９７〜９８％で平均粒径３００〜４００ｎｍが得られるのに対し、フラットトップ形状ではＯ．Ｌ．率を９１％まで下げても４００ｎｍ以上の平均粒径が得られていることが分かる。また、搬送速度に換算すると、最大で４．４倍速くなっていることが分かる。
図１１は、ラマン半値幅のＯ．Ｌ．率依存性を示すものである。ラマン半値幅は結晶性を示す指標で、結晶シリコンの半値幅（４ｃｍ-１）に近いほど、性能の良い結晶状態である。この結果でも明らかなように、フラットトップ形状の試料の方が、ガウシアン形状の試料より、良好な結晶状態が得られていることがわかる。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、コスト面及びメンテナンス面で有利な固体レーザを用いつつ、等方的で均一な結晶粒を得ることができ、且つ処理能力を高めることができる、という優れた効果が得られる。
なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。例えば、上記の実施形態では非晶質半導体膜としてａ−Ｓｉ膜を対象としたが、他の非晶質半導体膜（例えば非晶質シリコン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）を対象としてもよい。
本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
従来技術と本発明の有効エネルギーのイメージ図である。 図１に示したガウシアン形状をもつ矩形状ビームを照射した場合における、平均結晶粒径の有効エネルギーの入射回数依存性を示す図である。 図１に示したガウシアン形状をもつ矩形状ビームを照射した場合における、有効エネルギーの入射回数の基板搬送速度依存性を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図であって、Ｘ方向（矩形状ビームの長軸方向）に係る構成図である。 本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図であって、Ｙ方向（矩形状ビームの短軸方向）に係る構成図である。 本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図であって、Ｘ方向（矩形状ビームの長軸方向）に係る構成図であり、 本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図であって、Ｙ方向（矩形状ビームの短軸方向）に係る構成図である。 図５に示した短軸方向均一化手段２５により、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布をフラットトップ形状に加工したときの短軸エネルギー分布形状を示す図である。 短軸エネルギー分布をフラットトップ形状に加工したレーザ光を照射した試料のＳＥＭ像を示す図である。 図９のＳＥＭ像から算出した平均粒径とＯ．Ｌ．率の関係を示す図である。 ラマン半値幅のＯ．Ｌ．率依存性を示す図である。
符号の説明
１ レーザ光
３ 基板
５ 基板ステージ
１０ レーザアニール装置
１２ 固体レーザ光源
１４ ビームエキスパンダ
１５ 凹球面レンズ
１６ 凸球面レンズ
１８ Ｘ方向干渉低減光学系
２０ Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ
２２ Ｘ方向集光レンズ
２４ Ｙ方向干渉低減光学系
２５ 短軸方向均一化手段
２６ Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ
２８ Ｙ方向集光レンズ
３４ 入射レンズ
３６ 導波路
３８ Ｘ方向端面転写光学系
４４ Ｙ方向端面転写光学系

Claims (6)

  1. 固体レーザ光源から出射されたレーザ光を非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、該矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射して、該非結晶半導体膜を多結晶化するレーザアニール方法であって、
    前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化したレーザ光を前記非晶質半導体膜に照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  2. 固体レーザ光源から出射されたレーザ光を非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、該矩形状ビームをその短軸方向に非晶質半導体膜に対して相対移動させながら照射して、該非結晶半導体膜を多結晶化するレーザアニール装置であって、
    前記レーザ光の光路上に、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸方向均一化手段を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  3. 前記短軸方向均一化手段は、前記レーザ光を前記矩形状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイまたは導波路と、該シリンドリカルレンズアレイまたは導波路からの出射光を前記非晶質半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光する集光光学系と、を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザアニール装置。
  4. 前記短軸方向均一化手段は、回折光学素子を含む光学系である、ことを特徴とする請求項２に記載のレーザアニール装置。
  5. 前記非晶質半導体膜はアモルファスシリコン膜である、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のレーザアニール装置。
  6. 前記固体レーザ光源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかである、ことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のレーザアニール装置。
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