JP2008078488A - レーザ照射装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の照射による経時的に均一な加工が可能なレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】レーザ照射装置１０は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１からのレーザ光を照射して加工する被加工物２０をセットするための被加工物セット部１２と、レーザ光源１１から被加工物セット部１２までのレーザ光路に介設された光学素子１４１，１４２，１５，１６，１７と、レーザ光源１１と光学素子１４１，１４２，１５，１６，１７との間のレーザ光路に開閉可能に介設された第１シャッター１３１と、光学素子１４１，１４２，１５，１６，１７と被加工物セット部１２との間のレーザ光路に開閉可能に介設された第２シャッター１３２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

液晶表示装置の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に用いられるシリコン膜として、アモルファスシリコン膜が用いられていたが、近年、それにアニール処理を施した多結晶シリコン膜が用いられるようになってきており、これによってＴＦＴ基板の中に回路群を作り込むモノシリック化が図られるようになっている。

特許文献１には、そのアニール処理の方法として、固相成長法及びレーザアニール法が開示されている。
特開２００６−１４８０８６号公報

図５は、レーザアニール法で用いられるレーザ照射装置１０’の一例を示す。

このレーザ照射装置１０’は、レーザ光源１１’からＴＦＴ基板２０をセットするための基板セット部１２’までのレーザ光路に、シャッター１３’、一対の第１及び第２ミラー１４１’，１４２’、エキスパンダー１５’、スプリッター１６’及び集光レンズ１７’が順に設けられている。

そして、非加工時には、図５（ａ）に示すように、シャッター１３’によってレーザ光源１１’からのレーザ光を遮光する一方、加工時には、図５（ｂ）に示すように、シャッター１３’を開いて遮光を解除し、ＴＦＴ基板２０’上のアモルファスシリコン膜２１’にレーザ光を照射してアニール処理を施す。

ところが、このとき、加工開始当初とそれから一定時間経過後とで、加工後のシリコン膜の結晶性に相異があるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザ光の照射による経時的に均一な加工が可能なレーザ照射装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することである。

発明者は、鋭意検討した結果、上記の原因がレンズやミラーといった光学素子の温度変化に伴うプロファイルの変化であることを見出した。つまり、加工開始当初には、レンズやミラーが冷えた状態であるので、図６に実線で示すようなレーザ光の照射及びプロファイルとなる一方、一定時間経過後には、レンズやミラーが加熱されて歪み等を生じた熱的定常状態となり、図６に破線で示すようなレーザ光の照射及びプロファイルに変化するということである。

上記の目的を達成する本発明は、
レーザ光源と、
上記レーザ光源からのレーザ光を照射して加工する被加工物をセットするための被加工物セット部と、
上記レーザ光源から上記被加工物セット部までのレーザ光路に介設された光学素子と、
上記レーザ光源と上記光学素子との間のレーザ光路に開閉可能に介設された第１シャッターと、
上記光学素子と上記被加工物セット部との間のレーザ光路に開閉可能に介設された第２シャッターと、
を備えたレーザ照射装置である。

上記の構成によれば、非加工時には、第１シャッターを閉状態にすることによりレーザ光を遮光し、加工の前に、第１シャッターを開状態にすることにより遮光を解除して、第２シャッターを閉状態にすることにより光学素子を熱的定常状態にして待機させることができ、加工時には、第２シャッターを開状態にすることにより遮光を解除して、既に熱的定常状態に達した光学素子を通過したレーザ光が被加工物に照射されることとなり、その結果、被加工物に対して、レーザ光の照射による経時的に均一な加工を施すことができる。

本発明においては、上記光学素子は、典型的には、レンズである。

熱的定常状態を必要とする光学素子は、第１にはレンズである。これは、レンズが光を集光する光学素子であるため、熱によって屈折率が変化すると、その機能に対する影響が著しく大きいためである。また、第２には偏向ビームスプリッターや波長板などである。これらのものは物質中を光が通過する素子であるため、熱によって屈折率が変化すると光軸がずれたりすることが考えられる。

本発明は、上記レーザ光源から上記被加工物セット部までのレーザ光路に介設されたＡＯ変調素子型シャッター又はＥＯ変調素子型シャッターをさらに備えたものであってもよい。

上記の構成によれば、時間間隔が短ければ、光学素子に対する熱的影響は少ないのでＡＯ変調素子型シャッター又はＥＯ変調素子型シャッターにより遮光する一方、時間間隔が長ければ、光学素子に対する熱的影響を無視できないので、第２シャッターを閉状態にすることにより遮光する、という使い分けを行うことができる。

本発明は、上記レーザ光源がＣＷレーザ又は繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上である疑似ＣＷレーザであるレーザ照射装置。

上記の構成によれば、ＣＷレーザや疑似ＣＷレーザは光学素子への熱的影響が特に大きいので、本発明の作用効果を顕著に得ることができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、
レーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光を照射して加工する被加工半導体装置をセットするための被加工物セット部と、該レーザ光源から該被加工物セット部までのレーザ光路に介設された光学素子と、を備えたレーザ照射装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
レーザ光源からのレーザ光を、該レーザ光源と光学素子との間で遮光する非加工ステップと、
上記非加工ステップの後、上記レーザ光源と上記光学素子との間でのレーザ光の遮光を解除する一方、該光学素子を通過したレーザ光を、該光学素子と被加工物セット部との間で遮光して、該光学素子を熱的定常状態にして待機する待機ステップと、
上記待機ステップの後、上記光学素子と上記被加工物セット部との間でのレーザ光の遮光を解除して、レーザ光を該被加工物セット部にセットした被加工半導体装置に照射して所定の加工をする加工ステップと、
を備える。

この半導体装置の製造方法は、例えば、表示装置の製造方法に適用することができ、上記被加工半導体装置が表面に半導体薄膜が設けられた表示装置用基板であり、上記加工ステップにおいて、上記表示装置用基板の上記半導体薄膜にレーザ光を照射してアニール処理を施すことにより該半導体薄膜を多結晶化又は単結晶化すれば、特性の均一な多結晶シリコン膜又は単結晶シリコン膜を得ることができる。

本発明によれば、加工の前に、光学素子を熱的定常状態にして待機させることができ、加工時には、既に熱的定常状態に達した光学素子を通過したレーザ光を被加工物に照射することができ、従って、レーザ光にプロファイルの変動が生じず、その結果、被加工物に対して、レーザ光の照射による経時的に均一な加工を施すことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザ照射装置１０を示す。このレーザ照射装置１０は、例えば、液晶表示装置（半導体装置）の製造において、ＴＦＴ基板２０（被加工半導体装置）上のアモルファスシリコン膜や多結晶シリコン膜などの半導体薄膜２１にレーザ光Ｌを照射することによりアニール処理を施して、半導体薄膜２１を多結晶化又は単結晶化する際に用いられるものである。

このレーザ照射装置１０は、レーザ光源１１から基板セット部１２（被加工物セット部）までのレーザ光路に、第１シャッター１３１、第１及び第２ミラー１４１，１４２、エキスパンダー１５、スプリッター１６、集光レンズ１７（以上、光学素子）、第２シャッター１３２が順に介設されている。

レーザ光源１１は、レーザ発振してレーザ光Ｌを発する。レーザ光源１１は、連続発振するもの（ＣＷレーザ）であっても、パルス発振するものであっても、そのうち繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上の非常に高いもの（擬似ＣＷレーザ）であってもよい。また、レーザ光源１１は、Ａｒレーザやエキシマレーザなどのガスレーザであっても、ＹＡＧレーザなどの固体レーザであっても、半導体レーザ等であってもよい。

基板セット部１２は、基板上に設けられた半導体薄膜２１が上方を向くようにＴＦＴ基板２０を保持する。

第１シャッター１３１は、レーザ光源１１の出射口の直前に設けられており、開閉によって物理的に遮光して、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌのオン／オフを切り換える。

第１ミラー１４１は、レーザ光源１１の出射口の前方に傾斜して設けられており、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌを反射して、その進行方向を上向きに変更する。なお、この変更する方向は、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌの進行方向に対してその他の直交する方向であっても、また、その進行方向に対して特定の角度を有する方向であってもよい。

第２ミラー１４２は、第１ミラー１４１からのレーザ光Ｌの反射光を受光するように傾斜して設けられており、第１ミラー１４１からのレーザ光Ｌを反射して、その進行方向をさらに水平方向に変更する。なお、この変更する方向は、第１ミラー１４１からのレーザ光Ｌの進行方向に対してその他の直交する方向であっても、また、その進行方向に対して特定の角度を有する方向であってもよい。

エキスパンダー１５は、レーザ光路に沿って水平に設けられており、第２ミラー１４２からのレーザ光Ｌを一定の倍率の平行光束に広げる。

スプリッター１６は、基板セット部１２の上方に、エキスパンダー１５からのレーザ光Ｌを受光するように傾斜して設けられており、エキスパンダー１５からのレーザ光Ｌの一部を反射して、その進行方向を下方に変更する一方、残部を透過する。

集光レンズ１７は、レーザ光路に沿って上下に設けられており、スプリッター１６からのレーザ光Ｌを集光して、それを下方に設けられた基板セット部１２にセットされたＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１に垂直方向から照射する。なお、半導体薄膜２１に対して傾斜した方向からレーザ光Ｌを照射する構成であってもよい。また、集光レンズ１７が一対のシリンドリカルレンズで構成されていれば、半導体薄膜２１に対して線状のレーザ光Ｌを照射することができる。

第２シャッター１３２は、集光レンズ１７の直下に設けられており、開閉によって物理的に遮光して、集光レンズ１７を透過したレーザ光Ｌのオン／オフを切り換える。

また、このレーザ照射装置１０では、集光レンズ１７からのレーザ光Ｌの照射位置が基板セット部１２にセットされたＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１を走査するための移動機構が設けられている。

次に、このレーザ照射装置１０を用いた液晶表示装置の製造方法におけるＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１のレーザ光Ｌの照射によるアニール処理について図２に基づいて説明する。

まず、基板セット部１２に半導体薄膜２１が上になるようにＴＦＴ基板２０をセットする。ここで、ＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１の厚さは３０〜１５０ｎｍである。

次いで、図２（ａ）に示すように、レーザ光源１１からレーザ光Ｌを発させると共に第１シャッター１３１を閉状態にすることにより、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌを、レーザ光源１１と第１ミラー１４１との間で遮光する（非加工ステップ）。

続いて、図２（ｂ）に示すように、第１シャッター１３１を開状態にすることにより、レーザ光源１１と第１ミラー１４１との間でのレーザ光Ｌの遮光を解除し、一方、第２シャッター１３２を閉状態にすることにより、集光レンズ１７を通過したレーザ光Ｌを、集光レンズ１７と基板セット部１２との間で遮光して待機する（待機ステップ）。このとき、レーザ光路に介設された第１及び第２ミラー１４１，１４２、エキスパンダー１５、スプリッター１６、集光レンズ１７といった光学素子は加熱されて歪み等が生じた熱的定常状態に達する。それにより、レーザ光Ｌのプロファイルが変動することなしに安定となる。なお、非加工ステップにおいて、予め、第２シャッター１３２も閉状態にしておいてもよい。

そして、レーザ照射位置を移動させ、レーザ照射位置がＴＦＴ基板２０外に位置付けられているときには待機状態を維持し、レーザ照射位置がＴＦＴ基板２０上に位置付けられたときに、図２（ｃ）に示すように、第２シャッター１３２を開状態にすることにより、集光レンズ１７と基板セット部１２との間でのレーザ光Ｌの遮光を解除して、レーザ光Ｌを基板セット部１２にセットしたＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１に走査しながら照射して多結晶化又は単結晶化する（加工ステップ）。なお、レーザ照射位置が再びＴＦＴ基板２０外に位置付けられたときには、第２シャッターを閉状態にして待機する。

以上の構成のレーザ照射装置１０を用いれば、非加工ステップでは、第１シャッター１３１を閉状態にすることによりレーザ光Ｌを遮光し、待機ステップでは、第１シャッター１３１を開状態にすることにより遮光を解除して、第２シャッター１３２を閉状態にすることにより第１及び第２ミラー１４１，１４２、エキスパンダー１５、スプリッター１６、集光レンズ１７といった光学素子を熱的定常状態にして待機させることができ、加工ステップでは、第２シャッター１３２を開状態にすることにより遮光を解除して、既に熱的定常状態に達したレンズや第１及び第２ミラー１４１，１４２等を通過したレーザ光ＬがＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１に照射されることとなり、従って、レーザ光Ｌにプロファイルの変動が生じず、その結果、半導体薄膜２１に対して、レーザ光Ｌの照射による経時的に均一な加工を施すことができる。そして、特性の均一な多結晶化した又は単結晶化した半導体薄膜２１を得ることができる。この作用効果は、レーザ光源１１がＣＷレーザ又は疑似ＣＷレーザの場合、第１及び第２ミラー１４１，１４２、エキスパンダー１５、スプリッター１６、集光レンズ１７といった光学素子への熱的影響が大きいので、特に顕著である。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係るレーザ照射装置１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。このレーザ照射装置１０も、実施形態１と同様、液晶表示装置の製造において用いられるものである。

このレーザ照射装置１０では、第１ミラー１４１と第２ミラー１４２との間のレーザ光路にＡＯ変調素子型シャッター１８が介設されている。その他の構成は、実施形態１と同一である。

ＡＯ変調素子型シャッター１８は、例えば、超音波等により石英の屈折率を周期的に変調させてレーザ光路をずらすことにより 光学的にレーザ光Ｌのオン／オフを切り換えることができるように構成されている。なお、ＡＯ変調素子型シャッター１８は、レーザ光源１１から基板セット部１２までのレーザ光路であれば、どこに介設されていてもよい。

このレーザ照射装置１０を用いた液晶表示装置の製造方法では、図４に示すように、レーザ照射位置がＴＦＴ基板２０外に位置付けられているときには、レーザ光Ｌを集光レンズ１７と基板セット部１２との間で遮光して待機し、レーザ照射位置がＴＦＴ基板２０上に位置付けられたときには、第２シャッター１３２を開状態にし、しかも、オン／オフの間隔が短い加工部分では、ＡＯ変調素子型シャッター１８を作動させてレーザ光Ｌの照射をオン／オフし、レーザ照射位置が再びＴＦＴ基板２０外に位置付けられたときには第２シャッターを閉状態にして待機する。

以上の構成のレーザ照射装置１０を用いれば、時間間隔が短ければ、第１及び第２ミラー１４１，１４２、エキスパンダー１５、スプリッター１６、集光レンズ１７といった光学素子に対する熱的影響は少ないのでＡＯ変調素子型シャッター１８により遮光する一方、時間間隔が長ければ、第１及び第２ミラー１４１，１４２、エキスパンダー１５、スプリッター１６、集光レンズ１７といった光学素子に対する熱的影響を無視できないので、第２シャッター１３２を閉状態にすることにより遮光するという使い分けを行うことができる。

その他の作用効果は、実施形態１と同一である。

（その他の実施形態）
上記実施形態１及び２では、液晶表示装置の製造におけるＴＦＴ基板２０上の半導体薄膜２１のアニール処理を例としたが、特にこれに限定されるものではなく、その他の有機ＥＬ表示装置などのその他の表示装置の製造において使用するものであっても、また、その他の半導体装置の製造に使用するものであってもよい。

また、実施形態２では、ＡＯ変調素子型シャッター１８を用いたが、特にこれに限定されるものではなく、ＥＯ変調素子型シャッターを用いてもよい。

本発明は、レーザ照射装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法について有用である。

実施形態１のレーザ照射装置の構成を示す図である。 実施形態１のアニール処理を示す説明図である。 実施形態２のレーザ照射装置の構成を示す図である。 実施形態２のアニール処理を示す説明図である。 従来技術のレーザ照射装置の構成を示す図である。 従来技術におけるレーザ光の照射及びプロファイルを示す説明図である。

符号の説明

１０ レーザ照射装置
１１ レーザ光源
１２ 基板セット部（被加工物セット部）
１３１，１３２ 第１及び第２シャッター
１４１，１４２ 第１及び第２ミラー（光学素子）
１５ エキスパンダー（光学素子）
１６ スプリッター（光学素子）
１７ 集光レンズ（光学素子）
１８ ＡＯ変調素子型シャッター
２０ ＴＦＴ基板（被加工半導体装置）
２１ 半導体薄膜

Claims (6)

1. レーザ光源と、
   上記レーザ光源からのレーザ光を照射して加工する被加工物をセットするための被加工物セット部と、
   上記レーザ光源から上記被加工物セット部までのレーザ光路に介設された光学素子と、
   上記レーザ光源と上記光学素子との間のレーザ光路に開閉可能に介設された第１シャッターと、
   上記光学素子と上記被加工物セット部との間のレーザ光路に開閉可能に介設された第２シャッターと、
   を備えたレーザ照射装置。
2. 請求項１に記載されたレーザ照射装置において、
   上記光学素子がレンズであるレーザ照射装置。
3. 請求項１に記載されたレーザ照射装置において、
   上記レーザ光源から上記被加工物セット部までのレーザ光路に介設されたＡＯ変調素子型シャッター又はＥＯ変調素子型シャッターをさらに備えたレーザ照射装置。
4. 請求項１に記載されたレーザ照射装置において、
   上記レーザ光源がＣＷレーザ又は繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上である疑似ＣＷレーザであるレーザ照射装置。
5. レーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光を照射して加工する被加工半導体装置をセットするための被加工物セット部と、該レーザ光源から該被加工物セット部までのレーザ光路に介設された光学素子と、を備えたレーザ照射装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   レーザ光源からのレーザ光を、該レーザ光源と光学素子との間で遮光する非加工ステップと、
   上記非加工ステップの後、上記レーザ光源と上記光学素子との間でのレーザ光の遮光を解除する一方、該光学素子を通過したレーザ光を、該光学素子と被加工物セット部との間で遮光して、該光学素子を熱的定常状態にして待機する待機ステップと、
   上記待機ステップの後、上記光学素子と上記被加工物セット部との間でのレーザ光の遮光を解除して、レーザ光を該被加工物セット部にセットした被加工半導体装置に照射して所定の加工をする加工ステップと、
   を備えた半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載された半導体装置の製造方法において、
   上記被加工半導体装置が表面に半導体薄膜が設けられた表示装置用基板であり、
   上記加工ステップにおいて、上記表示装置用基板の上記半導体薄膜にレーザ光を照射してアニール処理を施すことにより該半導体薄膜を多結晶化又は単結晶化する半導体装置の製造方法。

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