JP2008177598A

JP2008177598A - 半導体結晶化装置

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Publication number: JP2008177598A
Application number: JP2008054132A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sasaki; 伸夫佐々木; Koichi Oki; 孝一大木
Original assignee: NIPPON LASER KK; Sharp Corp
Current assignee: NIPPON LASER KK; Sharp Corp
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP4881900B2

Abstract

【課題】半導体結晶化装置に関し、ＣＷ固体レーザを使用した場合でもスループットを高くすることができるようにすることを目的とする。
【解決手段】複数のレーザ源から出射するレーザビームを複数のサブビームに分割し、該サブビームＳＢを基板の非晶質半導体の選択された部分に照射して該半導体を結晶化させる構成とする。
【選択図】図１８

Description

本発明は半導体結晶化装置に関する。

液晶表示装置はＴＦＴを含むアクティブマトリックス駆動回路を含む。また、システム液晶表示装置は表示領域のまわりの周辺領域にＴＦＴを含む電子回路を含む。低温ポリＳｉは、液晶表示装置のＴＦＴ及びシステム液晶表示装置の周辺領域のＴＦＴを形成するのに適している。また、低温ポリＳｉは、有機ＥＬでの画素駆動用ＴＦＴや有機ＥＬでの周辺領域の電子回路への応用も期待されている。本発明は低温ポリＳｉでＴＦＴを作るためにＣＷレーザ（連続発振レーザ）を用いた半導体結晶化装置に関するものである。

低温ポリＳｉで液晶表示装置のＴＦＴを形成するために、従来はガラス基板に非晶質シリコン膜を形成し、ガラス基板の非晶質シリコン膜にエキシマパルスレーザを照射し、非晶質シリコンを結晶化していた。最近、ガラス基板の非晶質シリコン膜にＣＷ固体レーザを照射し、非晶質シリコンを結晶化する結晶化方法が開発された。

エキシマパルスレーザによるシリコンの結晶化では、移動度が１５０〜３００(cm²／Vs）程度であるのに対して、ＣＷレーザによるシリコンの結晶化では、移動度が４００〜６００(cm²／Vs）程度を実現でき、特に、システム液晶表示装置の周辺領域の電子回路のＴＦＴを形成するのに有利である。

シリコンの結晶化では、シリコン膜をレーザビームでスキャンする。この場合、シリコン膜を有する基板を可動ステージに搭載し、固定のレーザビームに対してシリコン膜を動かしながらスキャニングを行う。図１９に示されるように、エキシマパルスレーザでは、例えば、ビームスポットＸが２７．５cm×０．４mmのレーザビームでスキャンすることができ、ビーム幅２７．５cmで、スキャン速度６mm／ｓでスキャニングを行うと、エリアスキャン速度は１６．５ cm²／ｓである。

一方、図２０に示されるように、ＣＷ固体レーザでは、例えば、ビームスポットＹが４００μｍ×２０μｍでスキャンすることができ、スキャン速度５０cm／ｓでスキャニングを行うと、良い結晶化のできるメルト幅は１５０μｍとなり、エリアスキャン速度は０．７５ cm²／ｓである。このように、ＣＷ固体レーザによる結晶化では、品質の優れたポリシリコンを得ることができるが、スループットが低いという問題があった。また、スキャン速度を２ｍ／ｓでスキャニングを行うこともでき、この場合、エリアスキャン速度は５ cm²／ｓになる。しかし、得られたポリシリコンの移動度が低くなる。
国際公開第０２／０３１８７１号（２００２年４月１８日公開）

ＣＷ固体レーザによる結晶化では、パワーが安定したＣＷレーザの出力が比較的に小さいために、スキャン速度は高くすることができても、エリアスキャン速度は低く、スループットが十分上がられないという問題があった。

本発明の目的は、ＣＷ固体レーザを使用した場合でもスループットを高くすることのできる半導体結晶化方法及び装置を提供することである。

本発明による半導体結晶化装置は、レーザ源と、該レーザ源から出射するレーザビームを複数のサブビームに分割するビーム分割手段と、該サブビームを基板上の非単結晶半導体の素子形成部に選択的にフォーカスするためのフォーカス光学系とを備えた半導体を結晶化する半導体結晶化装置であって、複数の該フォーカス光学系の少なくとも二つのスポット位置間隔を変える可動機構と、該フォーカス光学系へレーザビームを送る複数の第１のミラー群と、該フォーカス光学系に設けられ、該第１のミラー群からのビームを受ける複数の第２のミラー群とを備え、該第１のミラー群と該第２のミラー群との間の複数のビームが、該可動機構による可動方向に平行で、該ビームの高さが異なっており、かつ該第２のミラー群の各ミラーと、それに対応する該フォーカス光学系の各組はそれぞれ一体化され、該可動機構により該可動方向に可動することを特徴とする。

また、本発明による半導体結晶化装置は、複数のレーザ源と、該レーザ源から出射する複数のレーザビームを基板上の非単結晶半導体の素子形成部に選択的にフォーカスするためのフォーカス光学系とを備えた半導体を結晶化する半導体結晶化装置であって、複数の該フォーカス光学系の少なくとも二つのスポット位置間隔を変える可動機構と、該フォーカス光学系へレーザビームを送る複数の第１のミラー群と、該フォーカス光学系に設けられ、該第１のミラー群からのビームを受ける複数の第２のミラー群とを備え、該第１のミラー群と該第２のミラー群との間の複数のビームが、該可動機構による可動方向に平行で、該ビームの高さが異なっており、かつ該第２のミラー群の各ミラーと、それに対応する該フォーカス光学系の各組はそれぞれ一体化され、該可動機構により該可動方向に可動することを特徴とする。

これらの構成によれば、同時に複数のサブビームを照射することで、スループットを上げることができる。表示装置の表示領域においては、画素の面積と比べてＴＦＴの部分は限定されており、表示領域をすべて結晶化する必要のないことに着目し、結晶化すべき部分に選択的にサブビームを照射することで、さらにスループットを上げることができる。ビームが照射されない部分は非晶質半導体のまま残るが、その部分はＴＦＴを分離するときに除去すべき部分であり、非晶質半導体のままであってもさしつかえない。

以上説明したように、本発明によれば、ＣＷ固体レーザを使用した場合でもスループットを高くすることができる。

以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例による液晶表示装置を示す略断面図である。液晶表示装置１０は対向する一対のガラス基板１２，１４の間に液晶１６を挿入してなるものである。電極及び配向膜がガラス基板１２，１４に設けられることができる。一方のガラス基板１２はＴＦＴ基板であり、他方のガラス基板１４はカラーフィルタ基板である。

図２は図１のガラス基板１２を示す略平面図である。ガラス基板１２は表示領域１８と、表示領域１８のまわりの周辺領域２０とを有する。表示領域１８は多数の画素２２を含む。図２では、１つの画素２２が部分的に拡大して示されている。画素２２は３原色のサブ画素領域ＲＧＢを含み、各サブ画素領域ＲＧＢにはＴＦＴ２４が形成されている。周辺領域２０はＴＦＴ（図示せず）を有し、周辺領域２０のＴＦＴは表示領域１８のＴＦＴ２４よりも密に配置されている。

図２のガラス基板１２は、１５型ＱＸＧＡ液晶表示装置を構成するものであり、２０４８×１５３６の画素２２を有する。３原色のサブ画素領域ＲＧＢが並ぶ方向（水平な方向）上には２０４８の画素が並び、サブ画素領域ＲＧＢの数は２０４８×３になる。３原色のサブ画素領域ＲＧＢが並ぶ方向（水平な方向）に対して垂直な方向（垂直な方向）には１５３６の画素が並ぶ。半導体結晶化においては、周辺領域２０では各辺に平行な方向にレーザスキャンが行われ、表示領域１８では矢印Ａ又はＢの方向にレーザスキャンが行われる。

図３は図２のガラス基板１２を作るためのマザーガラス２６を示す略平面である。マザーガラス２６は複数のガラス基板１２を採取するようになっている。図３に示す例では、１つのマザーガラス２６から４つのガラス基板１２を採取するようになっているが、１つのマザーガラス２６から４つ以上のガラス基板１２を採取することもできる。

図４は図２のガラス基板１２のＴＦＴ２４及び周辺領域２０のＴＦＴを形成する工程を示す図である。ステップＳ１において、ガラス基板に、絶縁膜、非晶質シリコン膜を形成する。ステップＳ２において、非晶質シリコン膜が結晶化され、ポリシリコンになる。ステップＳ３において、ＴＦＴとなるべきシリコンの部分などの必要なシリコン部分を残し、ポリシリコンや非晶質シリコン膜の不要部を除去して、ＴＦＴ分離を行う。ステップＳ４において、ゲート電極、ドレイン電極、層間絶縁膜、コンタクトホールなどを形成する。ステップＳ５において、さらに、絶縁膜やＩＴＯ膜を形成して、ガラス基板１２を完成する。ＩＴＯ膜は画素２２を構成する画素電極となる。

図５は図４の結晶化ステップＳ２の内容を示す図である。結晶化ステップＳ２においては、ＣＷレーザ（連続発振レーザ）発振器３０を用いる。ＣＷレーザ発振器３０を出たレーザビームは、周辺領域照射系３２と、サブビーム選択照射系３４に、切り換えて供給される。最初に、ガラス基板１２パネルの周辺領域２０の非晶質シリコンにレーザビームを集光照射し、非晶質シリコンを溶融固化させ、ポリシリコンに結晶化させる。それから、ガラス基板１２の表示領域１８の非晶質シリコン３６にサブビームを選択的に集光照射し、非晶質シリコンを溶融固化させ、ポリシリコンに結晶化させる。

周辺領域２０のＴＦＴは表示領域１８のＴＦＴ２４よりも密に配置されているので、品質の高いポリシリコンが求められる。周辺領域照射系３２は、ＣＷレーザ発振器３０を出た比較的に高いパワーをもったレーザビームで比較的に低いスキャン速度で周辺領域２０を照射する。前に説明した例を使用すると、ビーム幅２５０μｍで、スキャン速度４０cm／ｓでスキャニングを行い、エリアスキャン速度は１ cm²／ｓである。

一方、表示領域１８のＴＦＴ２４はそれほどの高い品質のポリシリコンでなくてもよいので、サブビーム選択照射系３４は、ＣＷレーザ発振器３０を出たレーザビームをこれから説明するサブビームに分割し、サブビームで比較的に高いスキャン速度で表示領域１８を照射する。これによって、全体としてスループットが向上し、かつ、必要な領域では品質の高いポリシリコンが得られる。

図６はサブビーム選択照射系３４から照射された複数のサブビームＳＢでガラス基板１２の表示領域１８の非晶質シリコン膜を選択的に照射する例を示す図である。複数のサブビームＳＢはＣＷレーザ発振器３０を出たレーザビームを分割されたものであり、所定の間隔でビームスポットを形成する。３６はガラス基板１２に形成された非晶質シリコン膜３６であり、ガラス基板１２はＸＹステージ３８の真空チャックでＸＹステージ３８に固定されている。

サブビームＳＢはＴＦＴ２４の存在すべき位置を含む非晶質シリコン膜３６のストライプ状の部分４０にビームスポットを形成するように配置され、ＸＹステージ３８は矢印Ａ又は矢印Ｂの方向に移動し（スキャンし）する。非晶質シリコン膜３６の残りのストライプ状の部分４２は照射されない。つまり、非晶質シリコン膜３６のストライプ状の部分４０がサブビームＳＢによって選択的に照射される。

図７はサブビームＳＢのビームスポットを調節するための光学系を示す図である。この光学系は、サブビームＳＢの光路を曲げるミラー４４と、ほぼ半円筒体形状のレンズ４６と、このレンズ４６と直交するように配置されたほぼ半円筒体形状のレンズ４８と、凸レンズ５０とからなる。この光学系により、サブビームＳＢのビームスポットは楕円形状になる。

図８は複数のＣＷレーザ発振器３０，３０ａ及びサブビーム選択照射系３４を示す図である。ハーフミラー５１がＣＷレーザ発振器３０の前に配置され、ＣＷレーザ発振器３０を出たレーザビームＬＢがハーフミラー５１によって２つのサブビームＳＢに分割される。ハーフミラー５１を透過した一方のサブビームＳＢはさらにハーフミラー５２によって２つのサブビームＳＢに分割される。５３はミラーである。ハーフミラー５１で反射したもう一方のサブビームＳＢはさらにハーフミラー５４によって２つのサブビームＳＢに分割される。このようにして、ＣＷレーザ発振器３０を出たレーザビームＬＢが４つのサブビームＳＢに分割される。

各サブビームＳＢの光路には、独立に調整可能なシャッタ５５及び独立に調整可能なＮＤフィルタ５６が配置される。シャッタ５５は必要に応じてサブビームＳＢを遮断することができる。ＮＤフィルタ５６はサブビームＳＢのパワーを調整することができる。

さらに、ミラー５７が水平なサブビームＳＢを垂直上向きに曲げるために配置され、ミラー５８が垂直なサブビームＳＢを水平に曲げるために配置される。ミラー５８はサブビームＳＢを高さが異なる位置でガラス基板１２に平行に曲げる。水平なサブビームＳＢはフォーカスユニット５９によって垂直下向きに曲げられ、フォーカスユニット５９によって集光されて、所定のビームスポットで非晶質シリコン膜３６に照射される。

各フォーカスユニット５９は図７に示されたミラー４４と、レンズ４６と、レンズ４８と、凸レンズ５０とを含み、これらの光学部材はユニットとして形成される。フォーカスユニット５９は矢印Ｃで示される方向に許容範囲内で移動可能である。ビームプロファイラ６０が各フォーカスユニット５９の光軸上に配置される。ビームプロファイラ６０は各サブビームＳＢのフォーカス位置を補正する。また、ビームプロファイラ６０は各サブビームＳＢのフォーカス位置を検出することもできる。

ハーフミラー５１とＮＤフィルタ５６との間において、４つのサブビームＳＢはガラス基板１２に平行な水平平面内で互いに平行に等間隔に配置される。ミラー５７とフォーカスユニット５９との間において、４つのサブビームＳＢはガラス基板１２に垂直な垂直平面内で互いに平行に等間隔に配置される。非晶質シリコン膜３６を有するガラス基板１２はこの垂直平面に対して直交する方向Ａ，Ｂに移動（スキャン）される。

サブビーム選択照射系３４におけるエリアスキャン速度は、サブビーム数×スキャン速度×非晶質シリコン膜３６のストライプ状の部分４０の間隔で与えられる。そのために、レーザビームＬＢを複数のサブビームＳＢに分割するとともに、レーザ発振器３０の数を増やし、結晶化に必要な十分なパワーを持たせつつ、サブビーム数を増やすのが好ましい。

図８において、もう１つのレーザ発振器３０ａはレーザ発振器３０と平行に配置し、このレーザ発振器３０ａに対してもレーザ発振器３０に付属する光学部材と同様の光学部材（図示せず、ハーフミラー、ミラー、フォーカスユニット等）を設け、さらに４つのサブビームＳＢを形成することができる。この場合、８つのサブビームＳＢは全て同一平面内で互いに平行で等間隔で配置されるようにする。

レーザ発振器３０ａと最初のハーフミラー５１ａとの間にはビームエキスパンダ７９が配置される。ビームエキスパンダ７９はレーザビームＬＢの拡がり角を調整するものである。すなわち、同時に照射される複数のレーザ源３０，３０ａのレーザビームＬＢの拡がり角にバラツキがあると、一方のレーザビームＬＢをフォーカス光学系によってフォーカスを合わせても、他方のレーザビームＬＢのフォーカスが合わないことがあるので、ビームエキスパンダ７９によってレーザビームＬＢの拡がり角を調整することにより、２つのレーザビームＬＢのフォーカスが合うようにする。ビームエキスパンダ７９は他方のレーザビームＬＢの光路に配置してもよい。また、２つのレーザビームの光路の両方に配置してもよい。

図９は１６個のサブビームＳＢを形成するサブビーム選択照射系３４を示す図である。このサブビーム選択照射系３４は、４個のレーザ発振器３０と、２つのサブビーム分割アセンブリ６２と、２つのサブビームフォーカスアセンブリ６４とを含む。２つのレーザ発振器３０は図８の２つのレーザ発振器３０、３０ａに相当する。１つのサブビーム分割アセンブリ６２は２つのレーザ発振器３０，３０ａから出たレーザビームＬＢを８つのサブビームＳＢに分割するものであり、図８のハーフミラー５１からＮＤフィルタ５６までの光学部材を含む。１つのサブビームフォーカスアセンブリ６４は１つのサブビーム分割アセンブリ６２に光学的に接続され、図８のミラー５７からフォーカスユニット５９までの光学部材を含む。

図１０は図９のサブビームフォーカスアセンブリ６４の具体例を示す平面図、図１１は図１０のサブビームフォーカスアセンブリ６４を示す正面図、図１２は図１０のサブビームフォーカスアセンブリ６４を示す側面図である。図１０から図１２において、８個のミラー５７，５８及び８個のフォーカスユニット５９がフレーム６４Ｆに取りつけられている。各フォーカスユニット５９は電動ステージ５９Ｓによってフレーム６４Ｆに取りつけられており、図８の矢印Ｃで示される方向に許容範囲内で移動可能である。５９Ｇはガイド機構である。

図５の周辺領域照射系３２が使用される場合には、図８のハーフミラー５１以下の光学部材を取り外し、ハーフミラー５１の位置に周辺領域照射系３２の光学部材をセットする。

以上の構成において、ＴＦＴ２４の間隔は画素２２のピッチと等しい。本発明によれば、画素ピッチおよびサブビーム数に比例してエリアスキャン速度を向上できる。また、ＴＦＴ２４のサイズが小さくなるほど溶融すべき面積を小さくできるので、サブビーム数を多くすることができる。画素ピッチは人間の目で見るという条件の下では、むやみに小さくする必要はないが、ＴＦＴ２４のサイズは微細加工技術の進展に伴い小さくしていくことができる。この結果、不必要な領域にエネルギーを供給することなく、選択的に必要な部分のみの結晶化ができるので、結晶化プロセスのスループットが上がるだけでなく、省エネルギープロセスを実現できる。

例えば、ＴＦＴ２４の大きさは、チャネル長が４μｍ、チャネル幅が５μｍ程度である。２ｍ／ｓの高速スキャンが可能なＸＹステージの揺動が最大プラスマイナス１０μｍ程度あるので、サブビームＳＢの幅としては最低２５μｍ、その他の余裕を考えると３０μｍあることが望ましい。チャネル幅をより大きくする必要に対しては、チャネル幅をスキャン方向に平行にレイアウトすることで簡単に達成できる。

メルト幅（非晶質シリコン膜３６のストライプ状の部分４０の溶融される幅）は、スキャン速度、Ｓｉ厚さ、レーザパワー、照射フォーカスレンズ等により変わってくるが、非晶質シリコン膜３６の厚さ１５０nm、Ｆ＝２００mmとＦ＝４０mmのレンズを組み合わせた楕円状のビームスポットが得られる光学系を用いて、楕円の長軸に垂直なレーザスキャンを行ったところ、有効メルト幅として３０μｍを得た。従って、レーザビームＬＢの分割に伴うパワーロスがあっても、分割されたサブビームＳＢに対して２Ｗ以上のパワーを提供できれば、３０μｍの必要メルト幅を確保できる。レーザはＮｄ：ＹＶ０４の固体レーザの連続波を用いた。

１０Ｗのレーザ発振に対して、４分割を行った後のレーザパワー値は、２．３Ｗ，２．４５Ｗ，２．４５Ｗ，２．２３Ｗとすべて２Ｗ以上であった。１〜２割の各サブビームＳＢ間のパワー値のバラツキは、ミラーやハーフミラーの特性バラツキによると考えられる。これらの値に応じて、ＮＤフィルタ５６でパワーをわずかに減衰させ、４個のサブビームＳＢ間のパワー値を２．２Ｗにすべてそろえた。

図９においては、１６本のサブビームＳＢをＮＤフィルタ５６でパワー調整を行い、１６本のサブビームＳＢをすべて同じパワー値の２．１Ｗに調整した。なお、異なるレーザ発振器からのビームでは拡がり角が異なるため、フォーカス位置が異なってくるが、これを補正するため、レーザ発振器からのレーザビーム取り出し直後にビームエキスパンダを設け、拡がり角を補正することにより、同じフォーカス位置にすることができた。ただし、フォーカス位置のずれがさほど大きくなければ、フォーカス位置が異なったままで、結晶化を行っても、それぞれ同じ大きさのメルト幅が得られ、何らさしつかえない。

図２のガラス基板１２においては、周辺領域２０の幅は約２mmである。１５型ＱＸＧＡのガラス基板１２に対して、１６本のサブビームＳＢを用いて結晶化を行った。画素２２サイズは１４８．５μｍ平方である。従って、ＲＧＢのサブ画素のサイズは１４８．５μｍ×４９．５μｍとなる。スキャン回数を減らし、全体のスループットを上げるために、１４８．５μｍの辺に垂直（ＲＧＢが並んでいる方向）にスキャンを行った。１６本のサブビームＳＢを間隔１４８．６μｍで並べることは光学系の大きさから無理である。各フォーカスユニット５９の照射レンズは３０mm間隔で並べられ、かつ並べられた方向に対して電動ステージ５９Ｓによりプラスマイナス４mm可動するようにした。

３０mm／１４８．５μｍ＝２０２．０２であるから、２つのフォーカスユニット５９の間には、２０２個のＴＦＴ２４の列（非晶質シリコン膜３６のストライプ状の部分４０）が存在する。

１番端の照射レンズと２番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ＝２９９９７μｍ＝３００００−３になる。

１番端の照射レンズと３番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×２＝５９９９４μｍ＝３００００×２−６になる。

１番端の照射レンズと４番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×４＝８９９９１μｍ＝３００００×３−９になる。

１番端の照射レンズと５番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×５＝１１９９８８μｍになる。

１番端の照射レンズと６番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×６＝１４９９８５になる。

１番端の照射レンズと７番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×６＝１７９９８２μｍになる。

１番端の照射レンズと８番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×７＝２０９９７９になる。

１番端の照射レンズと９番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×８＝２３９９７６μｍになる。

１番端の照射レンズと１０番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×９＝２６９９７３＝３００００×９−２７になる。

１番端の照射レンズと１１番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×１０＝２９９９７０になる。

１番端の照射レンズと１２番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×１１＝３２９９６７になる。

１番端の照射レンズと１３番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×１２＝３５９９６４になる。

１番端の照射レンズと１４番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×１３＝３８９９６１になる。

１番端の照射レンズと１５番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×１４＝４１９９５８になる。

１番端の照射レンズと１６番目の照射レンズの間隔は、２０２×１４８．５μｍ×１５＝４４９９５５＝３００００×１５−４５になる。

従って、各照射レンズは設計された平均位置より、２番目は３μｍマイナス方向へ、３番目は６μｍマイナス方向へ、・・・１５番目は４５μｍマイナス方向へ、微調整される。こうして、各ＴＦＴ領域に焦点が合った状態になる。この状態で、レーザ発振器３０の出力１０Ｗ、スキャン速度２ｍ／ｓでサブビームＳＢを照射した。各サブビームＳＢは２Ｗのパワーで照射が行われる。

図１３はサブビームＳＢとスキャン間隔との関係を示す図である。図１３に示されるように、サブビームＳＢは間隔ａで配置され、ａは（３mm−３μｍ）である。ＴＦＴ２４の間隔、すなわちスキャン間隔ｂは１４８．５μｍである。スキャンはＸＹステージ３８を矢印Ａ，Ｂで示されるように往復移動させながら行った。つまり、ＸＹステージ３８を矢印Ａの方向に移動した後、ＸＹステージ３８を矢印Ａ，Ｂと垂直な方向に１４８．５μｍ移動し、ＸＹステージ３８を矢印Ｂの方向に移動し、さらにＸＹステージ３８を矢印Ａ，Ｂと垂直な方向に１４８．５μｍ移動する。この動作を繰り返す。図１３では、各サブビームＳＢは４回のスキャンをするように示されているが、説明している例においては、各サブビームＳＢは２０２回のスキャンを行う。

１回の往きのスキャンで、１６本のサブビームＳＢが２０２画素間隔で非晶質シリコン膜３６のストライプ状の部分４０を結晶化する。次の帰りのスキャンで、１６本のサブビームＳＢが２０２画素間隔で非晶質シリコン膜３６の隣のストライプ状の部分４０を結晶化する。１０１回の往復スキャン（すなわち２０２回のスキャン）で、２０２×１６＝３３３２画素分のスキャンが可能になる。この場合のエリアスキャン速度は、１４８．５μｍ×２ｍ／ｓ＝４７．５ cm²／ｓとなる。

しかし、例にとったガラス基板１２では、縦の方向の画素の数が１５３６個しかない。従って、次に説明する例では、１６本のサブビームＳＢを使用せず、８本のサブビームＳＢを使用する。１５３６＝２０２×７＋１２２＝１２２×８＋８０×７となるので、８本のビームで１２２回のスキャンをし、７本のサブビームＳＢで残り８０回のスキャンを行う。この場合、８本目のサブビームＳＢは１２２のスキャン後にシャッタ５５によりカットされる。

この例では、装置は１６本のサブビームＳＢをもっているので、８本のサブビームＳＢで１つのガラス基板１２のスキャンを行い、結晶化を行うとともに、残りの８本のサブビームＳＢでマザーガラス２６（図３）上の隣のガラス基板１２のスキャンを行い、結晶化を行うことができる。ただし、そのためには、このガラス基板１２の画素の端と、隣のガラス基板１２の最も近接している画素の端との距離が、画素ピッチの整数倍であることが望ましい。あるいは、マザーガラス２６上のすべてのガラス基板１２の画素２２の位置は同一の画素ピッチであらわされたメッシュ上にすべてのっていることが望ましい。

図１４はマザーガラス２６上の２つのガラス基板１２ａ，１２ｂと複数のサブビームＳＢ８，ＳＢ９との関係を示す図である。サブビームＳＢ８はガラス基板１２ａを結晶化するための８本のサブビームＳＢのうちの８番目のサブビームＳＢであり、サブビームＳＢ９はガラス基板１２ｂを結晶化するための８本のサブビームＳＢのうちの１番目のサブビームＳＢである。

８番目のサブビームＳＢは１２２回のスキャンが終了したとき、シャッタ５６で止められる。８番目のサブビームＳＢ８がスキャン可能であった残りの８０回のスキャン領域の長さは、１４８．５μｍ×８０＝１１．８８０mmである。この距離が、ガラス基板１２ａの最後の画素と、隣のガラス基板１２ｂの最初の画素との間の距離と等しければ、９番目から１６番目のサブビームＳＢは無駄なく隣のガラス基板１２ｂの結晶化に使用できる。つまり、１番目のサブビームＳＢがガラス基板１２ａの最初の画素をスキャンするとき、９番目のサブビームＳＢがガラス基板１２ｂの最初の画素をスキャンする。ガラス基板１２に２mmの周辺領域２０が存在する場合には、１１．８８０−２×２＝７．８８mmの隙間（Ｌ）を２つのガラス基板１２ａ，１２ｂの間に設けるとよい。

本装置では、平均位置に対してプラスマイナス４mmの可動領域を各サブビームＳＢに対して与えてあるので、この可動範囲で解消できる不規則性は許容できるが、隣のガラス基板との間での調整をいちいち行うのは煩雑であるだけでなく、時間もかかるので、マザーガラス基板上のすべてのパネルの画素の位置は同一の画素ピッチであらわされたメッシュ上にすべてのっていることが望ましい。

図１４は、マザーガラス上に画素ピッチで仮想的に描いたメッシュＭが示されている。複数のガラス基板１２ａ，１２ｂの画素の配置をマザーガラス上での画素ピッチで仮想的に描いたメッシュＭと一致させるように、マザーガラスを設計するのが好ましい。

このような１つのサブビームＳＢを一時的にせよ止めるようなことは、画素ピッチと、ガラス基板１２の大きさ、サブビームＳＢの平均位置、サブビームＳＢの数の関係によって発生する。大きなガラス基板１２の場合には、１６本のサブビームＳＢはより有効に使われることは明らかであろう。

図１５はサブビームＳＢの配置の例を示す図である。有効性を増すには、サブビームＳＢ間のピッチを狭くすることが望ましい。しかし、レンズ、ミラーなどを小さくする限界のために、サブビームＳＢ間のピッチを狭くすることには限界がある。この限界下で、ピッチを狭くするには、サブビームＳＢ照射系を１列でなく、図１５に示すように複数列にして、同一間隔だが、相互にずらして並べればよい。このような複数列にすることは、ＸＹステージが等速度運動をすべき距離がマザーガラスの幅よりも列の数が増えるほど増えてしまい、スループットがわずかだが低下する。

図１６はサブビームＳＢの配置の例を示す図である。この問題を２列において回避するには、相互に位置をずらして２列のサブビーム照射系を並べるのは同じだが、図１６のように、ステージが等速度運動を終了するときのマザーガラスの先端の位置に、それぞれ１列に並べることで達成される。もちろん、それぞれの位置に複数の列のサブビーム照射系を並べてもよい。

図１７は本発明の原理を説明する図である。図１８は図８から図１２のサブビームフォーカスアセンブリの変形例を示す図である。

アモルファスシリコンのパネル面をレーザでアニールする場合、パネル面全体をベタにアニールすると、時間が掛かり過ぎる。図１７のようにとびとびにＴＦＴ２４が点在している場合、ＴＦＴ２４を含むストライプ状の部分４０のみをアニールすれば良く、面全体をベタにアニールする必要はない。

レーザビームをスキャンしてパネル面上をアニールする場合、レーザビーム（サブビーム）を動かしてパネル面は固定しておく方法と、パネル面を動かしてレーザビーム（サブビーム）は固定しておく方法とがあるが、本発明はそのどちらにも適用できる。

レーザビームは一本では時間が掛かり過ぎるのでｎ本に増やせば、１／ｎの時間ですむので複数本（ｎ本）用いる。図１７に示してあるように、ＴＦＴ２４はピッチＰＴＲで規則的に並んでいるが、そのピッチＰＴＲは製品によってまちまちである。本実施例の装置は異なるピッチにも対応できるものである。

図１８により説明する。複数のレーザビーム（サブビームＳＢ）で（図１８ではビーム数４の例で示す）アニールする場合、パネル面にサブビームＳＢを等間隔で照射しなければならない。その機構について図１８の４本のビーム例を用いて説明する。

４本のサブビームＳＢを光路変換ミラー５８を用いて９０度変更し、サブビームＳＢを図中のステージの動く方向Ｃ（図１８では左右に動く）と平行にする。次に、光路変換ミラー４４を用いてサブビームＳＢを９０度変更し、サブビームを図中のレンズユニットＬＵ（図７のレンズ４６，４８，５０）の真中をビームが通るようにする。ミラー４４及びレンズユニットＬＵはフォーカスユニット５９に配置されている。フォーカスユニット５９はガイド５９Ｇ（手動ステージ）、電動ステージ５９Ｓに搭載されており、電動ステージ５９Ｓが動くと（図中では左右に動く）フォーカスユニット５９全体が左右に動く。電動ステージ５９Ｓが動くと（図中では左右に動く）、フォーカスユニット５９全体が左右に動き、レーザビーム（サブビームＳＢ）は常にレンズユニットＬＵの真中を通る様にできる。

この機構により、レンズユニットＬＵを通って出射するレーザビームと次のレンズユニットＬＵを通って出射するレーザビームとの間隔（レーザビームピッチＰＬＢ１）を調節することができる。他のレーザビームとの間隔も同様に、レーザビームピッチＰＬＢ１と同様の手法で調節できる。

次に、図１７のようにトランジスタピッチＰＴＲで整列しているパネル面を図１８の機構を持つ複数のレーザビーム（サブビームＳＢ）で（図１８では４本の例で示す）無駄なく、取りこぼし無くアニールする方法を述べる。

通常トランジスタピッチＰＴＲは１００μｍ程度のものである（製品によりまちまちであることは既に述べた）。例えば、ＰＴＲが９０μｍ、初期のレーザビームピッチが２０mmの場合の例について具体的に述べる。２０mm／９０μｍ＝２２２．２２…であるから四捨五入して整数２２２を得る。２２２×９０μｍ＝１９．９８mm。よって、レーザビームピッチＰＬＢ１〜ＰＬＢ４を１９．９８mmにすれば、一度のスキャンで４本のトランジスタ列をレーザピッチ１９．９８mmでアニールできる。次に、パネル面をレーザビーム郡に対し、レーザスキャン方向と直角に９０μｍ平行移動後、再びレーザスキャンを行なえば、次の４本のアニールができる。以下同様に２２０回（既に２回スキャンしているので、合計２２２回となる）レーザスキャンを行なえば、２２２×４本のトランジスタ列を重複無く、抜けなくアニールできる。２２２×４×９０μｍ＝１９．９８mm×４＝約８０mmの領域を無駄なく取りこぼしなくアニールできる。次に、パネル面をレーザビーム郡に対し、レーザスキャン方向と直角に約８０mm移動後、同じ手順でアニールすれば任意の大きさのパネル面も重複無く取りこぼしなくアニールできる。

本実施例はレーザビームピッチを調整できる機構とレーザビームピッチをトランジスタピッチの整数倍に設定することを特徴とすることにより、異なるトランジスタピッチを持つパネル面のレーザアニールにも重複無く、取りこぼしなくアニールできる手段を提供するものである。レーザを用いて、アモルファスシリコンのパネル面などをレーザアニールする場合、複数のレーザビームを用いる方式は既に提案されている。本実施例はこの複数のレーザビームを用いて、製品によってまちまちな、パネル面上に点在しているトランジスタのピッチにも対応してアニールできる方法を提供するものであり、かつ、複数のレーザビームの間隔をトランジスタピッチの整数倍に配置することにより、無駄なく効率的にアニールできる手段を提供するものである。

本発明に係る半導体結晶化装置は、低温ポリＳｉで液晶表示装置のＴＦＴ及びシステム液晶表示装置の周辺領域のＴＦＴを形成するのに適している。

本発明の実施例による液晶表示装置を示す略断面図である。図１のガラス基板を示す略平面図である。図２のガラス基板を作るためのマザーガラスを示す略平面図である。図２のガラス基板のＴＦＴ及び周辺領域のＴＦＴを形成する工程を示す図である。図４の結晶化ステップの内容を示す図である。サブビームでガラス基板の表示領域の非晶質シリコン膜を選択的に照射する例を示す図である。サブビームのビームスポットを調節するための光学系を示す図である。ＣＷレーザ発振器及びサブビーム選択照射系を示す図である。１６個のサブビームを形成したサブビーム選択照射系を示す図である。図９のサブビームフォーカスアセンブリの具体例を示す平面図である。図１０のサブビームフォーカスアセンブリを示す正面図である。図１０のサブビームフォーカスアセンブリを示す側面図である。サブビームとスキャン間隔との関係を示す図である。２つのガラス基板と複数のサブビームとの関係を示す図である。サブビームの配置の例を示す図である。サブビームの配置の例を示す図である。本発明の原理を説明するためにＴＦＴの配置とレーザスキャンを示す図である。図８から図１２のサブビームフォーカスアセンブリの変形例を示す図である。従来のエキシマパルスレーザによる結晶化方法を説明する図である。従来のＣＷレーザによる結晶化方法を説明する図である。

符号の説明

１２，１４ガラス基板
１６液晶
１８表示領域
２０周辺領域
２２画素
２４ＴＦＴ
２６マザーガラス
３０ＣＷレーザ発振器
３６非晶質シリコン膜
４０ストライプ状の部分
５１，５２，５４ハーフミラー
５９フォーカスユニット

Claims

レーザ源と、該レーザ源から出射するレーザビームを複数のサブビームに分割するビーム分割手段と、該サブビームを基板上の非単結晶半導体の素子形成部に選択的にフォーカスするためのフォーカス光学系とを備えた半導体を結晶化する半導体結晶化装置であって、
複数の該フォーカス光学系の少なくとも二つのスポット位置間隔を変える可動機構と、
該フォーカス光学系へレーザビームを送る複数の第１のミラー群と、
該フォーカス光学系に設けられ、該第１のミラー群からのビームを受ける複数の第２のミラー群とを備え、
該第１のミラー群と該第２のミラー群との間の複数のビームが、該可動機構による可動方向に平行で、該ビームの高さが異なっており、
かつ該第２のミラー群の各ミラーと、それに対応する該フォーカス光学系の各組はそれぞれ一体化され、該可動機構により該可動方向に可動することを特徴とする半導体結晶化装置。
複数のレーザ源と、該レーザ源から出射する複数のレーザビームを基板上の非単結晶半導体の素子形成部に選択的にフォーカスするためのフォーカス光学系とを備えた半導体を結晶化する半導体結晶化装置であって、
複数の該フォーカス光学系の少なくとも二つのスポット位置間隔を変える可動機構と、
該フォーカス光学系へレーザビームを送る複数の第１のミラー群と、
該フォーカス光学系に設けられ、該第１のミラー群からのビームを受ける複数の第２のミラー群とを備え、
該第１のミラー群と該第２のミラー群との間の複数のビームが、該可動機構による可動方向に平行で、該ビームの高さが異なっており、
かつ該第２のミラー群の各ミラーと、それに対応する該フォーカス光学系の各組はそれぞれ一体化され、該可動機構により該可動方向に可動することを特徴とする半導体結晶化装置。
前記複数のサブビームもしくは前記複数のレーザビームの光路中に、シャッタが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶化装置。
前記複数のサブビームもしくは前記複数のレーザビームの光路中に、ＮＤフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶化装置。
前記複数のサブビームもしくは前記複数のレーザビームにより形成される複数のレーザスポットが、レーザのスキャン方向に垂直な方向に配列されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶化装置。