JP2008071788A - レーザアニール装置、半導体膜基板、素子基板、及び電気光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素化非晶質半導体膜の所定領域に対して、選択的にかつ効率的に脱水素処理と結晶化処理とを実施する。
【解決手段】レーザアニール装置１００は、単数又は複数のレーザ光発振源を備えてなり、水素化非晶質半導体膜２０に対して、第１のレーザ光Ｘを照射して第１のレーザ光Ｘが照射された領域の水素濃度を低減させる第１のレーザ光源１２０と、第１のレーザ光源１２０のレーザ光発振源を兼ねていない単数又は複数のレーザ光発振源を備えてなり、水素化非晶質半導体膜２０の第１のレーザ光Ｘが照射された領域の少なくとも一部に対して、第２のレーザ光Ｙを照射して第２のレーザ光Ｙが照射された領域を結晶化させる第２のレーザ光源１３０と、水素化非晶質半導体膜２０に対して、第１のレーザ光Ｘ及び第２のレーザ光Ｙを同時に又は独立に相対走査する相対走査手段１５０とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素化非晶質半導体膜に対してレーザアニールを実施して、水素化非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化させるレーザアニール装置、及びこの装置を用いるレーザアニール方法に関するものである。
本発明はまた、上記レーザアニール方法により製造された半導体膜基板、この半導体膜基板を用いて製造された素子基板、及びこの素子基板を用いた電気光学装置に関するものである。

ドットごとに駆動して表示等を行うエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置や液晶装置等の電気光学装置では、アクティブマトリクス型の駆動方式が広く採用されている。アクティブマトリクス型では多数の画素電極がマトリクス状に配置され、これら画素電極は例えば各画素電極に対応して設けられた画素スイッチング用ＴＦＴを介して駆動される。

上記電気光学装置では、同じ基板上に、上記の画素電極と画素スイッチング用ＴＦＴとがマトリクス状に多数形成された画素部と、この画素部を駆動する、複数の駆動回路用ＴＦＴを用いて構成された駆動回路を備えた駆動部とが設けられる場合がある。

上記電気光学装置においては例えば、（１）画素スイッチング用ＴＦＴの活性層と駆動回路用ＴＦＴの活性層とに、いずれも多結晶シリコン膜が用いられる。この場合、はじめに非晶質シリコン膜を成膜し、この膜に対してレーザアニールを実施して、膜を結晶化させることが広く行われている。

また、大面積で均質な非晶質シリコン膜を成膜する技術が確立したことで、（２）画素スイッチング用ＴＦＴの活性層には非晶質シリコン膜を用い、駆動回路用ＴＦＴの活性層には多結晶シリコン膜を用いることが提案されている（特許文献１の第１頁第１７行目〜第２頁第１行目を参照）。活性層として非晶質シリコン膜を用いたＴＦＴは、画素スイッチング用ＴＦＴとしては特に問題なく機能するが、非晶質シリコン膜はキャリア移動度が低いため、駆動回路用ＴＦＴの活性層としては不適である。そのため、少なくとも駆動回路用ＴＦＴの活性層については多結晶シリコン膜を用いることが好ましい。
例えば、非晶質シリコン膜の一部をレーザアニールにより選択的に結晶化することで、画素スイッチング用ＴＦＴの活性層が非晶質シリコン膜からなり、駆動回路用ＴＦＴの活性層が多結晶シリコン膜からなる電気光学装置を提供できると考えられる。

非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜のいずれを用いてＴＦＴを製造する場合においても、良好な素子特性を得るには、シリコン元素においてシリコン元素同士の結合が切れた部分に水素が結合していることが必要である。特に、非晶質シリコン膜では、シリコン元素同士の結合が切れた部分が多く、より高い水素濃度が必要とされている。シランガス等の水素含有ガスを原料とするＣＶＤ法等により非晶質シリコン膜を成膜すると、充分な量の水素を含む水素化非晶質シリコン膜（水素濃度は例えば２０原子％程度）が成膜される。

しかしながら、水素化非晶質シリコン膜に対してレーザアニールによる結晶化を行うと、水素が突沸して膜表面が荒れる、水素の突沸によりシリコン膜が部分的に剥離する、水素の突沸により飛散するシリコンによりレーザアニール装置内が汚染されるなどの問題が生じる恐れがある。そのため、結晶化を行う領域については、あらかじめ水素濃度を低減させる脱水素処理を行う必要がある。

脱水素方法としては、水素化非晶質シリコン膜を形成した基板全体を高温炉内に載置して、膜全体を熱アニールする方法が挙げられる。この方法では、脱水素処理にレーザアニールと異なる装置を用いる必要があり、非効率的である。また、膜全体を結晶化する場合には有効であるが、画素部は水素化非晶質シリコンのまま残し、駆動部のみを結晶化したい場合には、画素部の非晶質シリコンの水素濃度まで低下してしまうので、充分な素子特性の画素スイッチング用ＴＦＴが得られなくなる。

特許文献１では、水素化非晶質シリコン膜において駆動部の形成領域に対して選択的にレーザ光を走査しながら照射して、該領域の脱水素を行う脱水素工程と、同領域に対してさらに照射条件を変えてレーザ光を走査しながら照射して、該領域を結晶化させる結晶化工程とを順次実施する方法が提案されている（請求項１等）。特許文献１では、同一のレーザ光源を用い、レーザ光の照射エネルギーを変えて、脱水素工程と結晶化工程とを実施する方法のみが記載されている（請求項２，３等）。特許文献１では、レーザ光発振源として、各種エキシマレーザが挙げられている（請求項７，８等）。
特許文献１に記載の技術では、画素部の形成領域は充分な水素濃度の水素化非晶質シリコンのまま残し、駆動部の形成領域のみを選択的に脱水素化及び結晶化することができる。

特許文献２には、同一のレーザ光発振源から出射されたパルスレーザ光を、折り返しミラーを用いて脱水素用のレーザ光と結晶化用のレーザ光とに分けて出射するレーザ光源と、走査方向に対して脱水素用のレーザ光が結晶化用のレーザ光に対して先行するよう基板を移動させる基板ステージとを備えたレーザアニール装置が開示されている（請求項７，図４等）。

特許文献２では、レーザ光発振源としてエキシマレーザが挙げられている（請求項５等）。また、レーザ光発振源から出射されるパルスレーザ光において、結晶化にはエネルギー量が小さくて不適なビーム端部の不要光を脱水素用のレーザ光として用いることが記載されている（請求項３等）。特許文献２には、水素化非晶質シリコン膜に対して、脱水素用のレーザ光と結晶化用のレーザ光とを基板の幅以上の細長いビーム形状で照射し、基板を一方向に移動させることで、水素化非晶質シリコン膜を全面結晶化させる態様のみが記載されている（図３，図４等）。
国際公開第０１／０７８０４５号パンフレット 特開２００２−６４０６０号公報

特許文献１に記載の技術では、脱水素工程と結晶化工程とを同一のレーザ光源を用いて実施するため、１個の基板に対して、脱水素工程を完全に終了した後に結晶化工程を開始せざるを得ず、非効率的である。

特許文献２に記載の技術では、水素化非晶質シリコン膜に対して、１個のレーザ光源から脱水素用のレーザ光と結晶化用のレーザ光とを同時に照射することができるので、１個の基板に対して、脱水素工程と結晶化工程とを並行して実施することができる。しかしながら、脱水素用のレーザ光と結晶化用のレーザ光との発振源が同一であるため、脱水素用のレーザ光の照射条件と結晶化用のレーザ光の照射条件とをそれぞれ独立に好適化することが難しい。

特許文献１及び２では、基本的にはレーザ光発振源としてエキシマレーザが用いられている。エキシマレーザはパルスレーザであり、エキシマレーザをオンにしている間にもレーザ光が照射されない時間が周期的に訪れるため、緻密な膜処理が難しい。また、実質的なアニール時間が短く、パルス毎に出射エネルギー量がばらつくこともある。そのため、充分かつ均一な脱水素効果が得られにくく、高結晶化も難しい。

また、ＥＬ装置や液晶装置等では、１個の基板に対して所定のパターンで多数のＴＦＴを形成するため、製造効率を考慮すれば、活性層を多結晶シリコン膜により構成するＴＦＴの素子形成領域のみを選択的に結晶化できることが好ましい。しかしながら、エキシマレーザはそれ自体の形状が大きく、形状の設計自由度も低い。そのため、特許文献１及び２に記載されているように、駆動部全体あるいは膜全体といった広範囲を処理するには向いているが、ＴＦＴの素子形成領域のみを選択的に結晶化するような精細な位置制御は難しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、水素化非晶質半導体膜の所定領域に対して、選択的にかつ効率的に脱水素処理と結晶化処理とを実施することができ、しかも脱水素処理の処理条件と結晶化処理の処理条件とをそれぞれ独立に好適化することが可能なレーザアニール装置を提供することを目的とするものである。

本発明また、上記所定領域に対して安定的に充分かつ均一な脱水素処理を行うことができ、上記所定領域を安定的に高結晶化することが可能なレーザアニール装置を提供することを目的とするものである。

本発明また、上記の脱水素処理と結晶化処理とを行うに際して、ＴＦＴの素子形成領域のみを選択的に結晶化するような精細な位置制御が可能なレーザアニール装置を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザアニール装置は、水素化非晶質半導体膜に対してレーザアニールを実施して、該水素化非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化させるレーザアニール装置において、
単数又は複数のレーザ光発振源を備えてなり、前記水素化非晶質半導体膜に対して、第１のレーザ光を照射して該第１のレーザ光が照射された領域の水素濃度を低減させる第１のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源の前記レーザ光発振源を兼ねていない単数又は複数のレーザ光発振源を備えてなり、前記水素化非晶質半導体膜の前記第１のレーザ光が照射された領域の少なくとも一部に対して、第２のレーザ光を照射して該第２のレーザ光が照射された領域を結晶化させる第２のレーザ光源と、
前記水素化非晶質半導体膜に対して、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を同時に又は独立に相対走査する相対走査手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明のレーザアニール装置においては、後記するように第１のレーザ光源と第２のレーザ光源とが互いの機能を交替する構成とすることができる。この場合、機能交替前の第１のレーザ光源のレーザ光発振源が、機能交替後の第２のレーザ光源のレーザ光発振源を兼ねることとなるが、本明細書において、「第２のレーザ光源のレーザ光発振源が第１のレーザ光源のレーザ光発振源を兼ねていない」とは、任意のタイミングで見て、第２のレーザ光源のレーザ光発振源が第１のレーザ光源のレーザ光発振源を兼ねていないことを意味する。

本発明のレーザアニール装置において、前記第１のレーザ光源及び／又は前記第２のレーザ光源は、連続波出力のレーザ光源であることが好ましい。
前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源はいずれも、前記レーザ光発振源として半導体レーザを備えた半導体レーザ光源であることが好ましい。
前記第１のレーザ光源及び／又は前記第２のレーザ光源は、前記半導体レーザを複数備えると共に、該複数の半導体レーザからの出射光を合波する合波光学系とを備えた単数又は複数の合波半導体レーザ光源により構成することができる。

本発明のレーザアニール装置において、前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とは、互いの相対的位置が固定されてユニット化されたユニット光源の形態で備えられており、前記相対走査手段は、該ユニット光源を相対走査するものであることが好ましい。

前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とがユニット化された上記構成では、例えば、前記ユニット光源は、該ユニット光源の相対走査方向に対して常に前記第１のレーザ光源が前記第２のレーザ光源よりも先行するよう、該ユニット光源の相対走査方向に応じて、向きが制御されるものであることが好ましい。

本明細書において、「ユニット光源の相対走査方向」は、ある任意のタイミングで見たときに基板に対してユニット光源が相対的に進んでいく方向により定義する。また、「ユニット光源の相対走査方向に対して第１のレーザ光源が第２のレーザ光源よりも先行する」とは、基板に対してユニット光源が相対的に進んでいく方向に見て、第１のレーザ光源が第２のレーザ光源よりも先行することを意味する。

前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とがユニット化された上記構成では、前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とは、互いの機能を交替可能とされており、
前記ユニット光源は、該ユニット光源の相対走査方向に対して常に前記第１のレーザ光源が前記第２のレーザ光源よりも先行するよう、該ユニット光源の相対走査方向が変わる際には、前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源の互いの機能を交替する制御が行われるものであってもよい。

本発明のレーザアニール装置において、前記第１のレーザ光源による前記第１のレーザ光の相対走査方向に対して垂直方向の照射幅が、前記第２のレーザ光源による前記第２のレーザ光の相対走査方向に対して垂直方向の照射幅よりも広いことが好ましい。

本発明のレーザアニール装置において、前記水素化非晶質半導体膜に吸収される前記第１のレーザ光の単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度が、前記水素化非晶質半導体膜に吸収される前記第２のレーザ光の単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度よりも小さいことが好ましい。

本発明のレーザアニール装置において、前記相対走査手段による前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源の相対走査を制御する走査制御手段と、前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源に搭載された前記レーザ光発振源のオンオフを制御する電気的制御手段とを備え、
前記水素化非晶質半導体膜の所定領域に対して選択的に、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを照射するものであることが好ましい。

本発明のレーザアニール方法は、
上記の本発明のレーザアニール装置を用い、
前記水素化非晶質半導体膜に対して、前記第１のレーザ光を照射して該第１のレーザ光が照射された領域の水素濃度を低減させるレーザ照射（Ａ）と、
前記水素化非晶質半導体膜の前記第１のレーザ光が照射された領域の少なくとも一部に対して、前記第２のレーザ光を照射して該第２のレーザ光が照射された領域を結晶化させる第２のレーザ照射（Ｂ）とを実施することを特徴とするものである。

本発明のレーザアニール方法において、レーザ照射（Ａ）を実施している間に、レーザ照射（Ｂ）を開始することが好ましい。

本発明の半導体膜基板は、基板上に水素化非晶質半導体膜が形成された半導体膜基板に対して、上記の本発明のレーザアニール方法を実施して、製造されたものであることを特徴とするものである。

本発明の第１の素子基板は、上記の本発明の半導体膜基板を用いて製造され、前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施された結晶化領域内に形成された活性層を有する半導体装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２の素子基板は、上記の本発明の半導体膜基板を用いて製造され、
前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施されなかった非結晶化領域内に形成された活性層を有する第１の半導体装置と、
前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施された結晶化領域内に形成された活性層を有する第２の半導体装置とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の第３の素子基板は、上記の本発明の半導体膜基板を用いて製造され、画素電極と画素スイッチング用薄膜トランジスタとがマトリクス状に複数組形成された画素部と、該画素部を駆動する、複数の駆動回路用薄膜トランジスタを用いて構成された駆動回路が形成された駆動部とを備えた素子基板であって、
前記画素スイッチング用薄膜トランジスタが、前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施されなかった非結晶化領域内に形成された活性層を有し、
前記駆動回路用薄膜トランジスタが、前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施された結晶化領域内に形成された活性層を有すること特徴とするものである。

素子基板としては、薄膜トランジスタをスイッチング素子として備えたアクティブマトリクス基板等が挙げられる。

本発明の電気光学装置は、上記の本発明の素子基板を備えたことを特徴とするものである。電気光学装置としては、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置、液晶装置、電気泳動方式表示装置、及びこれらを備えたシートコンピュータ等が挙げられる。

本発明のレーザアニール装置は、脱水素用の第１のレーザ光源と結晶化用の第２のレーザ光源とを備えたものであるので、１個の基板に対して、水素化非晶質半導体膜に対する脱水素処理と結晶化処理とを並行して実施することができる。

本発明の装置を用いれば、レーザアニールによる結晶化に先立って、脱水素目的の熱アニールを実施する必要がなくなり、生産性を向上させることができる。また、脱水素処理と結晶化処理とを並行して実施することができるので、同一のレーザ光源を用い、照射エネルギーを変える２段階のレーザアニールを行って脱水素処理と結晶化処理とを行う特許文献１に記載の技術に比して、脱水素処理と結晶化処理とをより短時間で効率的に実施することができる。

本発明のレーザアニール装置はさらに、水素化非晶質半導体膜に対して第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源を同時に又は独立に走査する相対走査手段を備えたものであるので、水素化非晶質半導体膜の所定領域に対して選択的に、脱水素処理と結晶化処理とを実施することができる。

本発明のレーザアニール装置ではさらに、結晶化用の第２のレーザ光源のレーザ光発振源が、脱水素用の第１のレーザ光源のレーザ光発振源を兼ねていないので、脱水素処理の処理条件と結晶化処理の処理条件とをそれぞれ独立に好適化することができる。

本発明のレーザアニール装置において、第１のレーザ光源及び／又は第２のレーザ光源はいずれも、連続波出力のレーザ光源であることが好ましい。かかる構成では、パルス出力のレーザ光源と異なり、レーザ光源をオンにしている間は常に水素化非晶質半導体膜に対してレーザ光が連続的に照射されるので、緻密で均一な膜処理ができる。また、パルス出力のレーザ光源を用いる場合よりも実質的なアニール時間を長くすることができる。したがって、上記所定領域に対して安定的に充分かつ均一な脱水素処理を行うことができ、上記所定領域を安定的に高結晶化することができる。

第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源はいずれも、レーザ光発振源として半導体レーザを備えた半導体レーザ光源であることが好ましい。半導体レーザは小型であるので、レーザ光発振源としてエキシマレーザを用いるよりも、第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源を小さくすることができ、これらの形状の設計自由度も高くすることができる。半導体レーザはオンオフの制御も容易である。そのため、活性層を多結晶シリコン膜により構成するＴＦＴの素子形成領域のみを選択的に結晶化するような精細な位置制御も可能となる。

「レーザアニール装置、レーザアニール方法」
図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザアニール装置と、これを用いたレーザアニール方法について、説明する。

本発明のレーザアニール装置は、水素化非晶質半導体膜に対してレーザアニールを実施して、該水素化非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化させる装置である。本発明のレーザアニール装置では、水素化非晶質半導体膜の所定領域を選択的に結晶化させることもできる。

アニール対象の構成半導体材料は特に制限なく、シリコン、ゲルマニウム、シリコン／ゲルマニウム等が挙げられる。本実施形態では、アニール対象が水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜である場合を例として説明する。

図１はレーザアニール中の水素化非晶質シリコン膜とレーザアニール装置の主な構成要素を示す斜視図である。図２（ａ），（ｂ）はレーザ光源の内部構成を示す図である。図１中、レーザアニール対象の水素化非晶質シリコン膜に符号２０を付し、水素化非晶質シリコン膜２０においてＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の素子形成領域に符号Ａ_ＴＦＴを付してある。

本実施形態では、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置や液晶装置等のアクティブマトリクス型の電気光学装置に用いられるアクティブマトリクス基板（素子基板）を製造する場合を例として説明する。

本実施形態ではまた、
マトリクス状に配置された多数の画素電極と、これら画素電極のスイッチング素子として機能する多数の画素スイッチング用ＴＦＴ（第１の半導体装置）とが形成され、表示等が行われる画素部と、
上記画素部の外側に、画素部を駆動する、多数の駆動回路用ＴＦＴ（第２の半導体装置）を用いて構成された駆動回路が形成された駆動部とが設けられるアクティブマトリクス基板を製造する場合を例として説明する。

図４に基づいて、液晶装置用のアクティブマトリクス基板の回路構成例について説明する。
図示するアクティブマトリクス基板４０には、マトリクス状に配置された多数の画素電極３３と、これら画素電極３３のスイッチング素子として機能する多数の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成され、表示等が行われる画素部５０と、これを駆動する駆動部８０とが設けられている。この例では、画素部５０の１つのドットＤに対して、１個の画素電極３３と１個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成されている。１個の画素電極３３に対して、複数のＴＦＴ３０を設けることもできる。

駆動部８０は、水平走査回路６１を含む水平走査部６０と、垂直走査回路７１を含む垂直走査部７０とから構成されている。

水平走査回路６１から導出された個々の信号線６２は画素部５０をなす多数の画素スイッチング用ＴＦＴ３０のドレイン電極に接続されている。信号線６２が画素スイッチング用ＴＦＴ３０のドレイン電極を兼ねる場合もある。

垂直走査回路７１から多数の走査線７２が導出され、個々の走査線７２は画素部５０をなす複数の画素スイッチング用ＴＦＴ３０のゲート電極に接続されている。走査線７２が画素スイッチング用ＴＦＴ３０のゲート電極を兼ねる場合もある。各画素スイッチング用ＴＦＴ３０のソース電極に画素電極３３が接続されている。

非晶質シリコンを活性層とする場合、画素スイッチング用ＴＦＴ３０としては、Ｎ型のＴＦＴが用いられる。多結晶シリコンを活性層とする場合、画素スイッチング用ＴＦＴ３０としては、一般にＮ型のＴＦＴが用いられ、Ｐ型のＴＦＴが用いられることもある。駆動回路６１，７１は通常、Ｎ型の駆動回路用ＴＦＴとＰ型の駆動回路用ＴＦＴとのＣＭＯＳ構造を有する。

本実施形態では、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の活性層に非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜を用い、駆動回路６１，７１をなす駆動回路用ＴＦＴの活性層に多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜を用いる場合について説明する。

図１に示す本実施形態のレーザアニール装置１００は、レーザアニールによって、水素化非晶質シリコン膜２０の所定領域に対して選択的に、水素濃度を低減させる脱水素処理と結晶化処理とを実施することができる装置である。本実施形態では、所定領域が駆動部８０の形成領域全体である場合について説明する。

本実施形態のレーザアニール装置１００は、レーザアニール対象の水素化非晶質シリコン膜（水素化非晶質半導体膜）２０を載置するステージ１１０と、水素化非晶質シリコン膜２０に対してレーザ光Ｘ，Ｙを照射するレーザヘッド１４０（ユニット光源）と、レーザヘッド１４０を図示ｘ方向と図示ｙ方向（ｘｙ平面は、水素化非晶質シリコン膜２０の面に平行な面）に機械的に移動させて走査するレーザヘッド移動手段（相対走査手段）１５０と、装置全体の制御を行うコントローラ（制御手段）１６０とを備えている。

レーザヘッド移動手段１５０は、基本的にはレーザヘッド１４０の走査を図示ｘ方向で実施し、あるｙ位置においてｘ方向の走査を実施した後、ｙ位置を変えてｘ方向の折り返し走査を実施するという往復走査を実施する。すなわち、ｘ方向がレーザヘッド１４０の主走査方向であり、ｙ方向がレーザヘッド１４０の副走査方向である。

レーザヘッド１４０は、機能の異なる第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とがユニット化されたユニット光源である。レーザヘッド１４０内において、第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とは、レーザヘッド１４０の主走査方向であるｘ方向に対して平行方向に離間して配置され、かつ互いの相対的位置が固定されている。

第１のレーザ光源１２０は、水素化非晶質シリコン膜２０に対して、第１のレーザ光Ｘを略矩形スポット状に照射して、第１のレーザ光Ｘが照射された領域の水素濃度を低減させるレーザ光源である。第２のレーザ光源１３０は、水素化非晶質シリコン膜２０に対して、第２のレーザ光Ｙを略矩形スポット状に照射して、第２のレーザ光Ｙが照射された領域を結晶化させるレーザ光源である。

本実施形態のレーザアニール装置１００では、レーザヘッド移動手段１５０によるレーザヘッド１４０の走査によって、水素化非晶質シリコン膜２０に対する第１のレーザ光Ｘ及び第２のレーザ光Ｙの走査が同時に実施される。また、レーザヘッド１４０は、レーザヘッド１４０の走査方向に対して常に第１のレーザ光源１２０が第２のレーザ光源１３０よりも先行するよう、レーザヘッド１４０の走査方向に応じて、その向きが制御される。かかる構成によって、第２のレーザ光源１３０は、水素化非晶質シリコン膜２０の第１のレーザ光Ｘが照射された領域の少なくとも一部に対して、第２のレーザ光Ｙを照射するようになっている。

水素化非晶質シリコン膜２０に対して、脱水素せずにレーザアニールによる結晶化を行うと、水素が突沸して膜表面が荒れる、水素の突沸によりシリコン膜が部分的に剥離する、水素の突沸により飛散するシリコンによりレーザアニール装置内が汚染されるなどの問題が生じる恐れがある。本実施形態のレーザアニール装置１００では、第２のレーザ光Ｙの照射による結晶化に先立ち、第１のレーザ光Ｘの照射により脱水素処理が行われる。

図１中、水素化非晶質シリコン膜２０において、第１のレーザ光Ｘが照射されて脱水素処理が既に実施されたが、第２のレーザ光Ｙの照射を受ける前の領域に符号ＡＨを付し、第１のレーザ光Ｘの照射による脱水素処理と第２のレーザ光Ｙの照射による結晶化処理とがいずれも実施された領域に符号ＡＣを付してある。

図２（ａ）に示す如く、第１のレーザ光源１２０は、１個の合波半導体レーザ光源１２１により構成されている。

合波半導体レーザ光源１２１には、レーザ光発振源として連続波出力の１個のマルチ横モードの半導体レーザＬＤ（図示略）が内蔵された４個のＬＤパッケージ１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）と、これら４個のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々平行光束化する、ＬＤパッケージ１２３と同数のコリーメータレンズ１２４（１２４Ａ〜１２４Ｄ）とが組み込まれたＬＤユニット１２２が備えられている。

合波半導体レーザ光源１２１にはさらに、レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々反射するＬＤパッケージ１２３と同数の反射ミラー１２５（１２５Ａ〜１２５Ｄ）と、
反射ミラー１２５Ａ，１２５Ｂにより反射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２が入射するビームスプリッタ１２６Ａと、
反射ミラー１２５Ｃ，１２５Ｄにより反射されたレーザ光Ｌ３，Ｌ４が入射するビームスプリッタ１２６Ｂとが備えられている。

ビームスプリッタ１２６Ａ，１２６Ｂはいずれも、直角プリズムを２個接着した構成のキューブ状のビームスプリッタであり、ビームスプリッタ１２６Ｂの光入射面には、レーザ光Ｌ３，Ｌ４の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２７が取り付けられている。

ビームスプリッタ１２６Ａに入射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２は各々、光出力検出用に一部がビームスプリッタ１２６Ａを透過してフォトダイオード１２９Ａ，１２９Ｂに入射し、それ以外がビームスプリッタ１２６Ａ内で反射されてビームスプリッタ１２６Ｂに入射するようになっている。

同様に、ビームスプリッタ１２６Ｂに入射したレーザ光Ｌ３，Ｌ４は各々、光出力検出用に一部がビームスプリッタ１２６Ｂを透過してフォトダイオード１２９Ｃ，１２９Ｄに入射し、それ以外がビームスプリッタ１２６Ｂ内で反射されるようになっている。

合波半導体レーザ光源１２１では、ビームスプリッタ１２６Ａ，１２６Ｂ内でレーザ光Ｌ１〜Ｌ４が合波されるようになっている。本実施形態では、１／２波長位相差素子１２７によりレーザ光Ｌ３，Ｌ４の偏光方向を９０°ずらしてからビームスプリッタ１２６Ｂに入射させ、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ３とをファスト軸方向に偏光合波し、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ４とをファスト軸方向に偏光合波し、さらに偏光合波されたレーザ光Ｌ１，Ｌ３と偏光合波されたレーザ光Ｌ２，Ｌ４とをスロー軸方向に角度合波するように構成している。

合波半導体レーザ光源１２１の光出射口には、マルチ横モードの半導体レーザＬＤから出射される個々の次数の高次横モード光に含まれる、光軸に対して略対称方向に伝播する２つの波面成分の干渉性を低減するために、この２つの波面成分のうち一方の波面成分の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２８が設けられている。このことを図３を参照して、説明する。

マルチ横モードの半導体レーザＬＤでは、次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振される。図３（ａ）に示す如く、任意の１つの次数ｍの高次横モード光の近視野像ＮＦＰ（ｍ）は、次数に応じて複数のピークを持つ強度分布を有し、隣接するピーク間の位相が反転した像である。図３（ｂ）に模式的に示す如く、半導体レーザＬＤの光導波路Ｒには、光軸Ａに対して平行な２つの端面Ｅ１、Ｅ２がある。ある１つの次数の高次横モード光は、これら２つの端面Ｅ１、Ｅ２間で反射を繰り返して出射されるので、ある１つの次数の高次横モード光は概略、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされたものとなる。

２つの波面成分Ｗ１とＷ２とは概略、波面成分Ｗ１が端面Ｅ１で反射されるときに波面成分Ｗ２が端面Ｅ２で反射され、波面成分Ｗ１が端面Ｅ２で反射されるとき波面成分Ｗ２が端面Ｅ１で反射される関係にある。これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉により、上記の強度分布と位相分布を有する近視野像ＮＦＰ（ｍ）が形成されると考えられる。

実際には次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振されるので、実際の近視野像ＮＦＰは、次数の異なる複数の高次横モードの近視野像ＮＦＰ（ｍ）が重なったものとなる。

任意の１つの次数ｍの高次横モード光に着目すれば、上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２は光軸Ａに対して略対称方向に伝播し、光軸Ａに対して略対称な双峰性の強度分布Ｐ１、Ｐ２を有する遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を形成する。

高次横モード光は次数が異なっても、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされて構成される。ただし、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θは、半導体レーザの光導波路Ｒのストライプ幅及び屈折率分布、発振波長、高次横モードの次数等により決定され、次数が高くなる程ピーク分離角θが大きくなる傾向にある。

図では、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θが最も大きい高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を実線で示し、その他の次数の高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を破線で示してある。

異なる次数の高次横モード光間の干渉性は小さいが、個々の次数の高次横モード光を構成する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性が大きい。そこで、本実施形態では、２つの波面成分Ｗ１とＷ２のうち一方の波面成分Ｗ２の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２８を設けて、これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性を低減し、合波半導体レーザ光源１２１からの出射光の強度分布が均一になるように構成している。

本実施形態では、コリーメータレンズ１２４、反射ミラー１２５、ビームスプリッタ１２６Ａ，１２６Ｂ、及び１／２波長位相差素子１２７，１２８により、４個のＬＤパッケージ１２３からの出射光Ｌ１〜Ｌ４を合波する合波光学系が構成されている。本実施形態では、レーザ光Ｌ１〜Ｌ４の合波光が第１のレーザ光Ｘとなっている。

同様に、図２（ｂ）に示す如く、第２のレーザ光源１３０は、１個の合波半導体レーザ光源１３１により構成されている。合波半導体レーザ光源１３１の光学系は、構成要素の符号を変えている以外は、第１のレーザ光源１２０の合波半導体レーザ光源１２１と同様であるので、説明は省略する。

以上説明したように、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０には、いずれもレーザ光発振源として４個の半導体レーザＬＤが搭載されている。第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０に搭載されたこれらの半導体レーザＬＤの発振波長は、非晶質シリコンの吸収波長域、具体的には７００ｎｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下で、適宜設計することができる。かかる発振波長域の半導体レーザＬＤとしては、ＧａＮ系半導体レーザ及びＺｎＯ系半導体レーザ等が挙げられる。

第１のレーザ光源１２０は、複数の合波半導体レーザ光源１２１により構成してもよい。同様に、第２のレーザ光源１３０は、複数の合波半導体レーザ光源１３１により構成してもよい。個々の合波半導体レーザ光源１２１，１３１に搭載される半導体レーザＬＤの搭載数あるいは点灯数も適宜設計できる。

＜構成（Ｉ）＞
本実施形態では、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０は発振波長と単位時間あたりの出射エネルギー量が略同一であり、第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの照射面積が、第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの照射面積より大きい構成となっている。

具体的には、第１のレーザ光源１２０に搭載された複数の半導体レーザＬＤ、及び第２のレーザ光源１３０に搭載された複数の半導体レーザＬＤは、発振波長及び出力規格がすべて略同一であり、第１のレーザ光源１２０に搭載された半導体レーザＬＤの点灯数と第２のレーザ光源１３０に搭載された半導体レーザＬＤの点灯数も同一とされている。かかる構成では、第１のレーザ光源１２０から出射される第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの出射エネルギー量と、第２のレーザ光源１３０から出射される第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの出射エネルギー量とが略同一となる。

本明細書において、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の発振波長が「略同一である」とは、発振波長のずれが±２０ｎｍ以内であると、定義する。
本明細書において、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の出射エネルギー量が「略同一である」とは、出射エネルギー量のずれが±５％以内であると、定義する。

本実施形態では、上記条件において、第１のレーザ光源１２０による第１のレーザ光Ｘのｙ方向（走査方向に対して垂直方向）の照射幅Ｗ１が、第２のレーザ光源１３０による第２のレーザ光Ｙのｙ方向（走査方向に対して垂直方向）の照射幅Ｗ２よりも広い構成となっている（Ｗ１＞Ｗ２）。かかる構成によって、水素化非晶質シリコン膜２０に対する単位時間あたりの第１のレーザ光Ｘの照射面積が、水素化非晶質シリコン膜２０に対する単位時間あたりの第２のレーザＹの照射面積より大きくなるように、設計されている。

例えば、第２のレーザ光源１３０内に絞り（図示略）を組み込むことで、第２のレーザ光Ｙの照射幅Ｗ２及び単位時間あたりの照射面積を、第１のレーザ光Ｘの照射幅Ｗ１及び単位時間あたりの照射面積より小さくすることができる。

上記構成によって、レーザアニール装置１００は、水素化非晶質シリコン膜２０に吸収される第１のレーザ光Ｘの単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度Ｅａ１が、水素化非晶質シリコン膜２０に吸収される第２のレーザ光Ｙの単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度Ｅａ２よりも小さい構成となっている（Ｅａ１＜Ｅａ２）。

吸収エネルギー密度Ｅａ１は、水素化非晶質シリコンが融解せず、水素化非晶質シリコン中の水素濃度が低減するが結晶化が起こらないエネルギー密度に調整され、吸収エネルギー密度Ｅａ２は、水素化非晶質シリコンが融解して結晶化が起こるエネルギー密度に調整される。第１のレーザ光Ｘの照射による水素濃度の低減レベルは特に制限なく、非晶質シリコンであれば、例えば２原子％程度に低減できることが好ましい。

非晶質シリコンに吸収される吸収率はレーザ光の波長によって異なるので、発振波長と吸収率、単位時間あたりの照射面積から、上記吸収エネルギー密度Ｅａ１，Ｅａ２の関係になるように、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の発振波長と出力、及びこれらの光源による単位時間あたりの照射面積を設計すればよい。

本実施形態では、第２のレーザ光Ｙの照射によって融解する部分の結晶性がアニールによって向上して、この部分の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）が多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）となる。図示するように、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）の生成領域の外側に、結晶粒の小さい微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）が同時に生成されることがある。この場合、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）の生成領域はアニール条件等によって異なり、例えば、第２のレーザ光Ｙによる照射を直接は受けず融解はしないが、第２のレーザ光Ｙの照射エネルギーが伝わり温度が上昇する部分に、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）が生成される。

水素化非晶質シリコン膜２０に吸収される第２のレーザ光Ｙの単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度Ｅａ２が、水素化非晶質シリコン膜２０に吸収される第１のレーザ光Ｘの単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度Ｅａ１よりも大きいので（Ｅａ２＞Ｅａ１）、照射幅Ｗ１とＷ２との関係がＷ１≦Ｗ２であると、第１のレーザ光Ｘによる脱水素処理が行われた領域の範囲よりも第２のレーザ光Ｙによる結晶化処理が行われる領域の範囲よりもはみ出してしまう恐れがある。

照射幅Ｗ１とＷ２との関係をＷ１＞Ｗ２とし、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）の生成領域も含めて、第１のレーザ光Ｘによる脱水素処理が行われた領域の範囲内で結晶化が起こるようにすることで、結晶化する部分であるにもかかわらず、あらかじめ充分な脱水素が行われていない部分が生じることを安定的に抑制することができる。

第１のレーザ光源１２０による第１のレーザ光Ｘのｘ方向（走査方向）の照射幅Ｗ３と、第２のレーザ光源１３０による第２のレーザ光Ｙのｘ方向（走査方向）の照射幅Ｗ４との関係は特に制限なく、Ｗ３とＷ４は同一でもよいし、非同一でもよい。

本実施形態では、吸収エネルギー密度Ｅａ１，Ｅａ２が上記関係を満たすようにすればよいので、上記構成（Ｉ）の代わりに、下記構成（ＩＩ）又は構成（ＩＩＩ）を採用してもよい。

＜構成（ＩＩ）＞
第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とはいずれも発振波長が略同一条件において、第１のレーザ光源１２０の単位時間あたりの第１のレーザ光Ｘの出射エネルギー量（出力）が、第２のレーザ光源１３０の単位時間あたりの第２のレーザ光Ｙの出射エネルギー量（出力）よりも小さい構成としてもよい。かかる構成でも、Ｅａ１＜Ｅａ２を満たす構成とすることができる。

構成（ＩＩ）では、第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの照射面積と第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの照射面積とは略同一でもよく、構成（Ｉ）で説明したように、第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの照射面積が、第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの照射面積より大きい構成することが好ましい。

例えば、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０に搭載された半導体レーザＬＤは発振波長及び出力規格がすべて略同一であり、第１のレーザ光源１２０に搭載された半導体レーザＬＤの点灯数が、第２のレーザ光源１３０に搭載された半導体レーザＬＤの点灯数より少ない構成とすれば、上記出射エネルギー量の関係とすることができる。

＜構成（ＩＩＩ）＞
第１のレーザ光源１２０の発振波長が、第２のレーザ光源１３０の発振波長よりも長波長である構成としてもよい。長波長光の方が水素化非晶質シリコン膜２０に吸収される吸収率が低くなる傾向にあるので、かかる構成でも、Ｅａ１＜Ｅａ２を満たすことができる。

構成（ＩＩＩ）では、第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの照射面積と第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの照射面積とは略同一でもよく、構成（Ｉ）で説明したように、第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの照射面積が、第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの照射面積より大きい構成することが好ましい。

本実施形態において、コントローラ（制御手段）１６０には、レーザヘッド移動手段１５０の移動を制御する走査制御部（走査制御手段）１６１と、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０に搭載された半導体レーザＬＤのオンオフを制御する電気的制御部（電気的制御手段）１６２とが備えられている。コントローラ（制御手段）１６０にはまた、製造するアクティブマトリスク基板４０の駆動部８０の形成領域の設計情報が入力され、かつ該情報が記憶される設計情報記憶部１６３が設けられている。

本実施形態では、上記構成のコントローラ１６０によって、上記設計情報に応じて、レーザヘッド１４０の走査と第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０に搭載された半導体レーザＬＤのオンオフとが制御され、水素化非晶質シリコン膜２０の所定領域に対して選択的に、第１のレーザ光Ｘと第２のレーザ光Ｙとを照射できるようになっている。

本実施形態のレーザアニール装置１００は、以上のように構成されている。
レーザアニール装置１００を用いることで、水素化非晶質シリコン膜２０に対して、第１のレーザ光Ｘを照射して第１のレーザ光Ｘが照射された領域の水素濃度を低減させるレーザ照射（Ａ）と、水素化非晶質シリコン膜２０の第１のレーザ光Ｘが照射された領域の少なくとも一部に対して、第２のレーザ光Ｙを照射して第２のレーザ光Ｙが照射された領域を結晶化させる第２のレーザ照射（Ｂ）とを効率よく実施することができる。

本実施形態では、１個の基板に対して、レーザ照射（Ａ）を実施している間に、レーザ照射（Ｂ）を開始することができる。

本実施形態のレーザアニール装置１００は、脱水素用の第１のレーザ光源１２０と結晶化用の第２のレーザ光源１３０とを備えたものであるので、１個の基板に対して、水素化非晶質シリコン膜２０に対する脱水素処理と結晶化処理とを並行して効率よく実施することができる。

本実施形態の装置１００を用いれば、レーザアニールによる結晶化に先立って、脱水素目的の熱アニールを実施する必要がなくなり、生産性を向上させることができる。また、脱水素処理と結晶化処理とを並行して実施することができるので、同一のレーザ光源を用い、照射エネルギーを変える２段階のレーザアニールを行って脱水素処理と結晶化処理とを行う特許文献１に記載の技術に比して、脱水素処理と結晶化処理とをより短時間で効率的に実施することができる。

本実施形態では、水素化非晶質シリコン膜２０に対して第１のレーザＸ及び第２のレーザ光Ｙを走査する構成としているので、水素化非晶質シリコン膜２０の所定領域に対して選択的に、脱水素処理と結晶化処理とを実施することができる。

本実施形態では、必要最小限の領域のみを選択的に結晶化することができるので、不要な領域まで結晶化する場合に比して、１個の基板のレーザアニール処理時間を大きく短縮化することができ、レーザ光源１２０，１３０の長寿命化も図ることができる。

本実施形態ではさらに、同一のレーザヘッド１４０内に第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とを組み込み、レーザヘッド１４０内におけるこれらの互いの相対的位置を固定し、レーザヘッド１４０をレーザヘッド移動手段（相対走査手段）１５０により走査することで、水素化非晶質シリコン膜２０に対して第１のレーザＸ及び第２のレーザ光Ｙを同時に走査する構成としている。そして、レーザヘッド１４０の走査方向に対して常に第１のレーザ光源１２０が第２のレーザ光源１３０よりも先行するよう、レーザヘッド１４０の走査方向に応じて、レーザヘッド１４０の向きを制御する構成としている。

かかる構成では、水素化非晶質シリコン膜２０に対する第１のレーザＸ及び第２のレーザ光Ｙの走査が簡易であり、しかも第１のレーザＸの照射により脱水素処理が行われた領域に対して、連続的に第２のレーザ光Ｙによる結晶化処理を実施できるので、効率が良い。また、第１のレーザＸの照射領域と第２のレーザ光Ｙの照射領域との位置ずれも抑制できる。

上記のように、第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とは、互いの相対的位置が固定されてユニット化されたユニット光源の形態で備えられていることが好ましいが、本発明はかかる構成に制限されない。レーザ光源１２０，１３０はユニット化されていなくてもよく、レーザ光源１２０，１３０は、それぞれ独立に走査されるものであってもよい。

本実施形態のレーザアニール装置１００では、結晶化用の第２のレーザ光源１３０のレーザ光発振源が、脱水素用の第１のレーザ光源１２０のレーザ光発振源を兼ねていないので、脱水素処理の処理条件と結晶化処理の処理条件とをそれぞれ独立に好適化することができる。

本実施形態においては、レーザヘッド１４０の走査方向に対して常に第１のレーザ光源１２０が第２のレーザ光源１３０よりも先行するよう、レーザヘッド１４０の走査方向に応じて、レーザヘッド１４０の向きが制御される構成とする代わりに、
第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とは互いの機能を交替可能とされ、レーザヘッド１４０は、レーザヘッド１４０の走査方向に対して常に第１のレーザ光源１２０が第２のレーザ光源１３０よりも先行するよう、レーザヘッド１４０の走査方向が変わる際には、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の互いの機能を交替する制御が行われる構成としてもよい。

本実施形態では、吸収エネルギー密度Ｅａ１，Ｅａ２が上記関係を満たすようにすればよいので、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０は発振波長と単位時間あたりの出射エネルギー量が略同一であり、第１のレーザ光Ｘの単位時間あたりの照射面積が、第２のレーザ光Ｙの単位時間あたりの照射面積より大きい構成（Ｉ）であれば、レーザヘッド１４０の走査方向が変わる際に、絞り等の照射面積可変手段を用いて、単位時間あたりの照射面積を交替させることで、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の互いの機能を交替することができる。

第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０をそれぞれ独立に走査する場合には、第１のレーザ光源１２０の走査速度を第２のレーザ光源１３０の走査速度より速めることによって、第１のレーザ光源１２０による単位時間あたりの照射面積を、第２のレーザ光源１３０による単位時間あたりの照射面積より大きくすることができる。この場合には、走査速度を交替させることで、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の互いの機能を交替することができる。

また、第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とがいずれも発振波長が略同一条件において、第１のレーザ光源１２０の単位時間あたりの第１のレーザ光Ｘの出射エネルギー量（出力）が、第２のレーザ光源１３０の単位時間あたりの第２のレーザ光Ｙの出射エネルギー量（出力）よりも小さい構成（ＩＩ）であれば、
レーザヘッド１４０の走査方向が変わる際に、電気的制御部（電気的制御手段）１６２によって、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の互いの出力を交替させるなどして、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の互いの機能を交替させることができる。

例えば、第１のレーザ光源１２０に搭載された半導体レーザＬＤの点灯数が、第２のレーザ光源１３０に搭載された半導体レーザＬＤの点灯数より少ない構成であれば、レーザヘッド１４０の走査方向が変わる際に、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の半導体レーザＬＤの点灯数を交替させて、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０の互いの機能を交替させることができる。

本実施形態のレーザアニール装置１００において、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０はいずれも、連続波出力のレーザ光源により構成している。かかる構成では、パルス出力のレーザ光源と異なり、レーザ光源をオンにしている間は常に水素化非晶質シリコン膜２０に対してレーザ光Ｘ，Ｙが連続的に照射されるので、緻密で均一な膜処理ができる。また、パルス出力のレーザ光源を用いる場合よりも実質的なアニール時間を長くすることができる。したがって、所定領域に対して安定的に充分かつ均一な脱水素処理を行うことができ、所定領域を安定的に高結晶化することができる。

本実施形態のレーザアニール装置１００において、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０はいずれも、レーザ光発振源として半導体レーザＬＤを備えた半導体レーザ光源により構成している。半導体レーザＬＤは小型であるので、レーザ光発振源としてエキシマレーザを用いるよりも、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０を小さくすることができ、これらの形状の設計自由度も高くすることができる。半導体レーザＬＤはオンオフの制御も容易である。そのため、活性層を多結晶シリコン膜により構成するＴＦＴの素子形成領域のみを選択的に結晶化するような精細な位置制御も可能となる。本実施形態では、結晶化の位置制御を高精度に実施できるので、電気光学装置のパネルデザインの変更等にも容易に対応できる。

本実施形態では駆動部８０のみを選択的に結晶化し、画素部５０については非晶質シリコンのまま残す場合について説明した。この場合には、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の活性層を多結晶シリコンにより構成するよりも、画素部５０に多数形成された画素スイッチング用ＴＦＴ３０の特性のばらつきを抑制でき、均一性が高く高品位な表示特性の電気光学装置が得られる。

画素部５０についても結晶化を行い、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の活性層を多結晶シリコンにより構成してもよい。本実施形態のレーザアニール装置１００では、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の素子形成領域と駆動部８０とを選択的に結晶化することができる。また、駆動回路６１，７１を基板上に形成しない場合には、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の素子形成領域のみを選択的に結晶化することも可能である。
本実施形態では、水素化非晶質シリコン膜２０の所定領域を選択的に結晶化することができるが、水素化非晶質シリコン膜２０の膜全体を結晶化することもできる。

（構成変更例）
上記実施形態では、水素化非晶質シリコン膜２０に対してレーザ光Ｘ，Ｙを相対走査する相対走査手段として、レーザヘッド１４０を機械的に移動させるレーザヘッド移動手段１５０を備える場合について説明した。ステージ１１０を相対走査手段として機能する可動ステージとしてもよい。相対走査手段としては、ガルバノミラーなど、レーザヘッド１４０から出射されるレーザ光Ｘ，Ｙをそれぞれ光学的に走査するものであってもよい。相対走査手段は、これらの組み合わせであってもよい。

高出力が得られることから、第１のレーザ光源１２０及び第２のレーザ光源１３０は、半導体レーザＬＤを複数備えると共に、複数の半導体レーザＬＤからの出射光を合波する合波光学系とを備えた単数又は複数の合波半導体レーザ光源１２１，１３１により構成することが好ましい。ただし、第１のレーザ光源１２０及び／又は第２のレーザ光源１３０は、単数の半導体レーザＬＤのみを備えたものであってもよい。

上記実施形態では、第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とを一組備えたレーザアニール装置１００について説明した。レーザアニール装置１００は、第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とを複数組備える構成としてもよい。例えば、一組の第１のレーザ光源１２０と第２のレーザ光源１３０とを内蔵したレーザヘッド１４０を複数備える構成とすることができる。

「半導体膜基板、アクティブマトリクス基板（素子基板）」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の半導体膜基板、及びこれを用いたアクティブマトリクス基板（素子基板）の製造方法と構成について説明する。

本実施形態では、画素部５０にトップゲート型のＮ型又はＰ型の画素スイッチング用ＴＦＴ３０を形成し、駆動部８０にトップゲート・Ｎ型の駆動回路用ＴＦＴとトップゲート・Ｐ型の駆動回路用ＴＦＴとのＣＭＯＳ構造の駆動回路を形成する場合について説明する。

本実施形態では、水素化非晶質シリコン膜において、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の素子形成領域と駆動部８０の形成領域とを選択的に結晶化し、画素スイッチング用ＴＦＴ３０及び駆動回路用ＴＦＴをいずれもポリシリコンＴＦＴにより構成する場合について、説明する。図５は、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の製造工程を示す工程図である。駆動回路用ＴＦＴの基本的なプロセスは、ＣＭＯＳ構造とする以外は、基本的なプロセスは画素スイッチング用ＴＦＴ３０と同様である。

はじめに、図５（ａ）に示す如く、基板１０を用意し、基板１０の表面全体に、ＣＶＤ法等により水素化非晶質シリコン膜２０を成膜する。この水素化非晶質シリコン膜２０は、良好な素子特性の水素化非晶質シリコンＴＦＴを得ることが可能な充分な量の水素を含む膜（水素濃度は例えば２０原子％程度）である。

基板１０としては特に制限なく、石英ガラス基板、無アルカリガラス基板、及びプラスチック基板等が挙げられる。水素化非晶質シリコン膜２０の膜厚は特に制限なく、例えば５０ｎｍ程度が好ましい。水素化非晶質シリコン膜２０は基板１０上に直接形成するのではなく、酸化シリコンや窒化シリコン等の薄膜を介して形成してもよい。

次に、図５（ｂ）に示す如く、水素化非晶質シリコン膜２０に対して、上記実施形態のレーザアニール装置１００を用いてレーザアニールを実施して、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の素子形成領域と駆動部８０の形成領域に対して選択的に、脱水素処理と結晶化とを実施する。この工程後、画素スイッチング用ＴＦＴ３０の素子形成領域と駆動部８０の形成領域は多結晶シリコン膜となる。この工程後のシリコン膜に符号２１を付してある。

次に、図５（ｃ）に示す如く、フォトリソグラフィ法により、上記シリコン膜２１をパターニングして、ＴＦＴの素子形成領域Ａ_ＴＦＴ以外の領域を除去する。パターニング後のシリコン膜に符号２２を付してある。

次に、図５（ｄ）に示す如く、ＴＦＴの素子形成領域Ａ_ＴＦＴに、ＣＶＤ法やスパッタリング法等により、ＳｉＯ_２等からなるゲート絶縁膜２４を形成する。ゲート絶縁膜２４の膜厚は特に制限なく、例えば１００ｎｍ程度が好ましい。

基板１０上にシリコン膜２１が形成された図５（ｂ）の半導体膜基板、あるいは基板１０上にシリコン膜２２が形成された図５（ｃ），（ｄ）の半導体膜基板等が、本発明の半導体膜基板の実施形態である。

次に、図５（ｅ）に示す如く、電極材料の成膜とフォトリソグラフィ法によるパターニングとを実施することにより、ゲート絶縁膜２４上にゲート電極２５を形成する。

次に、図５（ｆ）に示す如く、ゲート電極２５をマスクとして、シリコン膜２２にドーパントをドープし、活性領域であるソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとを有する活性層２３を形成する。活性層２３において、ソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとの間の領域がチャネル領域２３ｃとなる。

この工程において、画素スイッチング用ＴＦＴ３０では、Ｐ，Ｂ等のドーパントを用いて、Ｎ型又はＰ型の構成とする。画素スイッチング用ＴＦＴ３０のドーパントがＰの場合について図示してある。駆動部８０では、Ｐ等の５価のドーパントを用いたＮ型の構成と、Ｂ等の３価のドーパントを用いたＰ型とのＣＭＯＳ構造とする（図示略）。画素スイッチング用ＴＦＴ３０及び駆動回路用ＴＦＴの不純物ドープ量は、ポリシリコンＴＦＴに好適な量（例えば３．０×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２程度）に設定される。

次に、図５（ｇ）に示す如く、ＴＦＴの素子形成領域Ａ_ＴＦＴに、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜２６を成膜し、さらに、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜２６に、シリコン膜２３のソース領域２３ａに通じるコンタクトホール２７ａと、ドレイン領域２３ｂに通じるコンタクトホール２７ｂとを開孔する。

さらに、層間絶縁膜２６上の所定の領域に、ソース電極２８ａとドレイン電極２８ｂとを形成する。ソース電極２８ａは、コンタクトホール２７ａを介してシリコン膜２３のソース領域２３ａに導通され、ドレイン電極２８ｂはコンタクトホール２７ｂを介してシリコン膜２３のドレイン領域２３ｂに導通される。

以上の工程により、画素部５０にトップゲート型のＮ型又はＰ型の画素スイッチング用ＴＦＴ３０を形成し、駆動部８０にトップゲート・Ｎ型の駆動回路用ＴＦＴとトップゲート・Ｐ型の駆動回路用ＴＦＴとのＣＭＯＳ構造の駆動回路を形成することができる。

画素部５０ではさらに、画素スイッチング用ＴＦＴ３０のソース電極２８ａに導通させて画素電極３３が形成される（図示略）。
以上の工程により、本実施形態のアクティブマトリクス基板４０が製造される。

「電気光学装置」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の電気光学装置の構成について説明する。本発明は、ＥＬ装置や液晶装置等に適用可能であり、有機ＥＬ装置を例として説明する。図６は有機ＥＬ装置の分解斜視図である。

本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）９０は、アクティブマトリクス基板４１の上に、電流印加により赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を各々発光する発光層４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂが所定のパターンで形成され、その上に、共通電極４３と封止膜４４とが順次積層されたものである。

アクティブマトリクス基板４１は、図４及び図５に示したアクティブマトリクス基板４０と類似の構成を有し、同様のプロセスにより製造されたものである。ただし、アクティブマトリクス基板４１では、１つのドットに２個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０が形成されている。

封止膜４４を用いる代わりに、金属缶もしくはガラス基板等の封止部材で封止を行ってもよい。この場合には、酸化カルシウム等の乾燥剤を内包させてもよい。

発光層４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂは、画素電極３３に対応したパターンで形成され、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を発光する３ドットで一画素が構成されている。共通電極４３と封止膜４４とは、アクティブマトリクス基板４０の略全面に形成されている。

有機ＥＬ装置９０では、画素電極３３と共通電極４３のうち、一方が陽極、他方が陰極として機能し、発光層４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂは、陽極から注入される正孔と陰極から注入される電子の再結合エネルギーによって発光する。

発光効率を向上するために、発光層４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂと陽極との間には、正孔注入層及び／又は正孔輸送層を設けることができる。発光効率を向上するために、発光層４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂと陰極との間には、電子注入層及び／又は電子輸送層を設けることができる。
本実施形態の有機ＥＬ装置９０は、以上のように構成されている。

本発明のレーザアニール装置は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を備えたアクティブマトリクス基板及び電気光学装置の製造等に好ましく適用することができる。

本発明に係る実施形態のレーザアニール装置と、これを用いたレーザアニール方法を示す図 （ａ）は第１のレーザ光源の内部構成を示す図、（ｂ）は第２のレーザ光源の内部構成を示す図 （ａ），（ｂ）は、マルチ横モード光が持つ干渉性を低減する構成を説明するための図 アクティブマトリクス基板の回路構成例を示す図 （ａ）〜（ｇ）は、ＴＦＴ及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法を示す工程図 本発明に係る実施形態の有機ＥＬ装置の構成を示す図

符号の説明

２０ 水素化非晶質シリコン膜（水素化非晶質半導体膜）
２１，２２ シリコン膜（半導体膜）
２３ 活性層
３０ 画素スイッチング用ＴＦＴ（第１の半導体装置）
４０，４１ アクティブマトリクス基板（素子基板）
５０ 画素部
６１ 水平走査回路（駆動回路）
７１ 垂直走査回路（駆動回路）
８０ 駆動部
９０ 有機ＥＬ装置（電気光学装置）
１００ レーザアニール装置
１２０ 第１のレーザ光源
１３０ 第２のレーザ光源
１２１、１３１ 合波半導体レーザ光源
１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）、１３３（１３３Ａ〜１３３Ｄ） ＬＤパッケージ
１４０ レーザヘッド（ユニット光源）
１５０ レーザヘッド移動手段（相対走査手段）
１６０ コントローラ（制御手段）
１６１ 走査制御部（走査制御手段）
１６２ 電気的制御部（電気的制御手段）
ＬＤ 半導体レーザ（レーザ光発振源）
Ｘ 第１のレーザ光
Ｙ 第２のレーザ光
ＡＨ 第１のレーザ光Ｘが照射されて脱水素処理が実施されたが、第２のレーザ光Ｙの照射を受ける前の領域
ＡＣ 第１のレーザ光Ｘの照射による脱水素処理と第２のレーザ光Ｙの照射による結晶化とが実施された領域
Ａ_ＴＦＴ ＴＦＴの素子形成領域
Ｗ１ 第１のレーザ光源による第１のレーザ光の走査方向に対して垂直方向の照射幅
Ｗ２ 第２のレーザ光源による第２のレーザ光の走査方向に対して垂直方向の照射幅

Claims (22)

1. 水素化非晶質半導体膜に対してレーザアニールを実施して、該水素化非晶質半導体膜の少なくとも一部を結晶化させるレーザアニール装置において、
   単数又は複数のレーザ光発振源を備えてなり、前記水素化非晶質半導体に対して、第１のレーザ光を照射して該第１のレーザ光が照射された領域の水素濃度を低減させる第１のレーザ光源と、
   前記第１のレーザ光源の前記レーザ光発振源を兼ねていない単数又は複数のレーザ光発振源を備えてなり、前記水素化非晶質半導体膜の前記第１のレーザ光が照射された領域の少なくとも一部に対して、第２のレーザ光を照射して該第２のレーザ光が照射された領域を結晶化させる第２のレーザ光源と、
   前記水素化非晶質半導体膜に対して、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を同時に又は独立に相対走査する相対走査手段とを備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
2. 前記第１のレーザ光源及び／又は前記第２のレーザ光源は、連続波出力のレーザ光源であることを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. 前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源はいずれも、前記レーザ光発振源として半導体レーザを備えた半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザアニール装置。
4. 前記第１のレーザ光源及び／又は前記第２のレーザ光源は、前記半導体レーザを複数備えると共に、該複数の半導体レーザからの出射光を合波する合波光学系とを備えた単数又は複数の合波半導体レーザ光源からなることを特徴とする請求項３に記載のレーザアニール装置。
5. 前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とは、互いの相対的位置が固定されてユニット化されたユニット光源の形態で備えられており、
   前記相対走査手段は、該ユニット光源を相対走査するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザアニール装置。
6. 前記ユニット光源は、該ユニット光源の相対走査方向に対して常に前記第１のレーザ光源が前記第２のレーザ光源よりも先行するよう、該ユニット光源の相対走査方向に応じて、向きが制御されるものであることを特徴とする請求項５に記載のレーザアニール装置。
7. 前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とは、互いの機能を交替可能とされており、
   前記ユニット光源は、該ユニット光源の相対走査方向に対して常に前記第１のレーザ光源が前記第２のレーザ光源よりも先行するよう、該ユニット光源の相対走査方向が変わる際には、前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源の互いの機能を交替する制御が行われるものであることを特徴とする請求項５に記載のレーザアニール装置。
8. 前記第１のレーザ光源による前記第１のレーザ光の相対走査方向に対して垂直方向の照射幅が、前記第２のレーザ光源による前記第２のレーザ光の相対走査方向に対して垂直方向の照射幅よりも広いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザアニール装置。
9. 前記水素化非晶質半導体膜に吸収される前記第１のレーザ光の単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度が、前記水素化非晶質半導体膜に吸収される前記第２のレーザ光の単位時間単位面積あたりの吸収エネルギー密度よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザアニール装置。
10. 前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とはいずれも発振波長が略同一であり、前記第１のレーザ光源の単位時間あたりの前記第１のレーザ光の出射エネルギー量が、前記第２のレーザ光源の単位時間あたりの前記第２のレーザ光の出射エネルギー量よりも小さいことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザアニール装置。
11. 前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源に搭載された前記レーザ光発振源は発振波長及び出力規格がすべて略同一であり、
    前記第１のレーザ光源に搭載された前記レーザ光発振源の点灯数が、前記第２のレーザ光源に搭載された前記レーザ光発振源の点灯数より少ないことを特徴とする請求項１０に記載のレーザアニール装置。
12. 前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とはいずれも発振波長が略同一であり、前記第１のレーザ光源から出射される前記第１のレーザ光の単位時間あたりの出射エネルギー量と、前記第２のレーザ光源から出射される前記第２のレーザ光の単位時間あたりの出射エネルギー量とが略同一であり、
    前記水素化非晶質半導体膜に対する単位時間あたりの前記第１のレーザ光の照射面積が、前記水素化非晶質半導体膜に対する単位時間あたりの前記第２のレーザ光の照射面積より大きいことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザアニール装置。
13. 前記第１のレーザ光源の発振波長が、前記第２のレーザ光源の発振波長よりも長波長であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザアニール装置。
14. 前記相対走査手段による前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源の相対走査を制御する走査制御手段と、前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源に搭載された前記レーザ光発振源のオンオフを制御する電気的制御手段とを備え、
    前記水素化非晶質半導体膜の所定領域に対して選択的に、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを照射するものであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザアニール装置。
15. 前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源とを複数組備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のレーザアニール装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載のレーザアニール装置を用い、
    水素化非晶質半導体膜に対して、前記第１のレーザ光を照射して該第１のレーザ光が照射された領域の水素濃度を低減させるレーザ照射（Ａ）と、
    前記水素化非晶質半導体膜の前記第１のレーザ光が照射された領域の少なくとも一部に対して、前記第２のレーザ光を照射して該第２のレーザ光が照射された領域を結晶化させる第２のレーザ照射（Ｂ）とを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
17. レーザ照射（Ａ）を実施している間に、レーザ照射（Ｂ）を開始することを特徴とする請求項１６に記載のレーザアニール方法。
18. 基板上に水素化非晶質半導体膜が形成された半導体膜基板に対して、請求項１６又は１７に記載のレーザアニール方法を実施して、製造されたものであることを特徴とする半導体膜基板。
19. 請求項１８に記載の半導体膜基板を用いて製造され、
    前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施された結晶化領域内に形成された活性層を有する半導体装置を備えたことを特徴とする素子基板。
20. 請求項１８に記載の半導体膜基板を用いて製造され、
    前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施されなかった非結晶化領域内に形成された活性層を有する第１の半導体装置と、
    前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施された結晶化領域内に形成された活性層を有する第２の半導体装置とを備えたことを特徴とする素子基板。
21. 請求項１８に記載の半導体膜基板を用いて製造され、
    画素電極と画素スイッチング用薄膜トランジスタとがマトリクス状に複数組形成された画素部と、該画素部を駆動する、複数の駆動回路用薄膜トランジスタを用いて構成された駆動回路が形成された駆動部とを備えた素子基板であって、
    前記画素スイッチング用薄膜トランジスタが、前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施されなかった非結晶化領域内に形成された活性層を有し、
    前記駆動回路用薄膜トランジスタが、前記水素化非晶質半導体膜においてレーザ照射（Ａ）及びレーザ照射（Ｂ）が実施された結晶化領域内に形成された活性層を有すること特徴とする素子基板。
22. 請求項１９〜２１のいずれかに記載の素子基板を備えたことを特徴とする電気光学装置。

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