JP2008218893A - Laser beam radiation method and device - Google Patents

Laser beam radiation method and device Download PDF

Info

Publication number
JP2008218893A
JP2008218893A JP2007057301A JP2007057301A JP2008218893A JP 2008218893 A JP2008218893 A JP 2008218893A JP 2007057301 A JP2007057301 A JP 2007057301A JP 2007057301 A JP2007057301 A JP 2007057301A JP 2008218893 A JP2008218893 A JP 2008218893A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
laser beam
light
laser light
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007057301A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4908269B2 (en
Inventor
Teruhiko Kuramachi
照彦 蔵町
Hiroyuki Hiiro
宏之 日色
Hiroshi Sunakawa
寛 砂川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp filed Critical Fujifilm Corp
Priority to JP2007057301A priority Critical patent/JP4908269B2/en
Publication of JP2008218893A publication Critical patent/JP2008218893A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4908269B2 publication Critical patent/JP4908269B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To condense a laser beam, which has large light intensity and small unevenness of the light intensity, in a spot shape in a laser beam radiation device without enlarging the device size. <P>SOLUTION: Two laser beams La, Ld and the other laser beams Lb, Ld out of laser beams La-Ld, which were emitted from a multi-transverse mode semiconductor laser 223, are subjected to polarization multiplexing and propagated into the same optical path. The polarization multiplexed laser beam Lac and other laser beam Lbd are subjected to angle combining multiplexing so that the optical axes of all laser beams may cross with each other at a predetermined face Hp. Then, coherence on the predetermined face Hp of two wave front components, which propagate at symmetric positions with respect to each optical axis of Lac, Lbd, is reduced by using coherent reduction means 128A and 128B, and each laser beam La-Ld is made to condense in a spot shape on the predetermined face Hp by using a condensing optical system 230. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する3つ以上の半導体レーザから射出されたレーザ光を所定面上へスポット状に集光させるレーザ光照方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a laser beam irradiation method and apparatus for condensing laser beams emitted from three or more semiconductor lasers respectively emitting multi-lateral mode laser beams in a spot shape on a predetermined surface.

従来より、薄膜トランジスタ(TFT)等の分野では、非晶質シリコン膜等の非晶質半導体膜上にレーザ光を小さな面積を有するスポット状(点状)の領域に集光させながら走査させて、上記半導体膜を多結晶化するレーザアニールの手法が知られている。   Conventionally, in the field of thin film transistors (TFTs), scanning is performed while condensing laser light onto a spot-like (dot-like) region having a small area on an amorphous semiconductor film such as an amorphous silicon film, A laser annealing technique for polycrystallizing the semiconductor film is known.

また、レーザアニールに用いるレーザ光源としては、メンテナンス性、取り扱い性等に優れ小型化可能である半導体レーザの採用が検討されている。上記レーザアニールでは大出力のレーザ光源が必要となるため、より大きな出力が得られるマルチ横モード半導体レーザの使用が検討されている。   In addition, as a laser light source used for laser annealing, adoption of a semiconductor laser that is excellent in maintainability and handleability and can be miniaturized is being studied. Since laser annealing requires a high-power laser light source, the use of a multi-transverse mode semiconductor laser capable of obtaining a higher output has been studied.

半導体レーザを用いて大出力のレーザ光を上記点状の領域に、すなわちスポット状に集光させる手法としては、複数の半導体レーザから出力されて光軸が互に平行となるようにコリメートされた各レーザ光を集光レンズに通して集光させる方式が知られている。例えば、複数の半導体レーザから出力された各レーザ光を集光レンズに通して光ファイバ端面のコア部へ入射させ、この光ファイバ中で合波させることにより大出力のレーザ光を得る方式が知られている(特許文献1参照)。ここで、半導体レーザの数、すなわち集光レンズに通すレーザ光の数を多くするほど、この集光レンズでスポット状に集光させるレーザ光の光強度を大きくすることができる。   As a technique for condensing a high-power laser beam in the above-described dot-like region, that is, in a spot shape using a semiconductor laser, the laser beam is collimated so that the optical axes are parallel to each other. There is known a method of condensing each laser beam through a condensing lens. For example, a method is known in which each laser beam output from a plurality of semiconductor lasers is incident on a core portion of an end face of an optical fiber through a condensing lens and combined in this optical fiber to obtain a high-power laser beam. (See Patent Document 1). Here, as the number of semiconductor lasers, that is, the number of laser beams passing through the condenser lens is increased, the light intensity of the laser light condensed in a spot shape by the condenser lens can be increased.

また、上記のようなレーザ光の照射においては、レーザ光の光強度分布を均一でムラの無いものとすることが重要である(引用文献2参照)。そのため、従来のエキシマレーザを用いた装置では、ビームホモジナイザ等のレーザ光の強度分布を均一化する光学部材を用いている。エキシマレーザのように多数の高次横モードが同時に発振され空間的コヒーレンスが比較的低いレーザ光の強度分布の均一化には、光路中に上記ビームホモジナイザ等を設けることが有効である。
特開昭56−88177号公報 米国特許2569875号明細書
Further, in the laser light irradiation as described above, it is important to make the light intensity distribution of the laser light uniform and free from unevenness (see Reference 2). Therefore, an apparatus using a conventional excimer laser uses an optical member such as a beam homogenizer that uniformizes the intensity distribution of laser light. It is effective to provide the beam homogenizer or the like in the optical path in order to uniformize the intensity distribution of laser light having a plurality of high-order transverse modes that oscillate simultaneously and have a relatively low spatial coherence like an excimer laser.
JP-A-56-88177 US Pat. No. 2,569,875

ところで、上記のような複数の半導体レーザを用いて構成した出力の大きなレーザ光照射装置は小型化することが求められており、各レーザ光を集光させる集光レンズの口径も制限される。一方、上記のようなレーザ光照射装置の大出力化に応じてより多くのレーザ光を上記集光レンズに入射させるには、半導体レーザ、この半導体レーザから射出されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ、上記レーザ光の光路を偏向させる反射ミラー等の光学部材を配置するためのスペースの拡大が必要となる。   By the way, a laser beam irradiation apparatus with a large output constituted by using a plurality of semiconductor lasers as described above is required to be miniaturized, and the aperture of a condensing lens that collects each laser beam is also limited. On the other hand, in order to make more laser light incident on the condenser lens in accordance with the increase in output of the laser light irradiation apparatus as described above, a semiconductor laser and a collimator lens that collimates the laser light emitted from the semiconductor laser Therefore, it is necessary to expand the space for arranging an optical member such as a reflection mirror for deflecting the optical path of the laser beam.

したがって、上記のように光軸が互に平行な複数のコリメートされたレーザ光を集光レンズへ入射させるときの上記レーザ光の最大数は、集光レンズの口径によって制限されてしまう。そのため、スポット状に集光させたレーザ光の光強度が要求される光強度に達しないことがあり、レーザ光源のサイズを大型化することなくより大きな出力が得られるようにしたいという要請がある。   Therefore, the maximum number of the laser beams when the collimated laser beams having the optical axes parallel to each other as described above are incident on the condenser lens is limited by the aperture of the condenser lens. For this reason, the light intensity of the laser light condensed in a spot shape may not reach the required light intensity, and there is a demand for obtaining a larger output without increasing the size of the laser light source. .

また、マルチ横モード半導体レーザから射出されるマルチ横モードのレーザ光は、エキシマレーザから射出されるレーザ光に比して、同時に発振される高次横モード数が少なく空間的コヒーレンスが高い。そのため、このマルチ横モード半導体レーザから射出されたレーザ光を所定面上に集光させるときに、集光されたスポット中に光強度のムラが生じることがある。すなわち、マルチ横モード半導体レーザにおいて、同じ次数の高次横モード光には光軸に対して略対称方向に伝播する2つの波面成分があり、これら2つの波面成分の間の干渉によって上記光強度のムラが生じると考えられる。この光強度のムラは上記エキシマレーザで使用されるビームホモジナイザ等を適用しても低減できない。   In addition, multi-lateral mode laser light emitted from a multi-transverse mode semiconductor laser has a smaller number of higher-order transverse modes that oscillate simultaneously and higher spatial coherence than laser light emitted from an excimer laser. For this reason, when the laser light emitted from the multi-lateral mode semiconductor laser is condensed on a predetermined surface, unevenness of the light intensity may occur in the condensed spot. That is, in a multi-transverse mode semiconductor laser, high-order transverse mode light of the same order has two wavefront components propagating in a substantially symmetric direction with respect to the optical axis, and the light intensity is increased by interference between these two wavefront components. It is thought that unevenness occurs. This unevenness in light intensity cannot be reduced even if a beam homogenizer or the like used in the excimer laser is applied.

なお、上記問題は、レーザアニールに用いるレーザ光源の限らず、3つ以上のマルチ横モード半導体レーザから出力されたレーザ光をスポット状に集光する場合に一般に生じる問題である。   The above problem is not limited to the laser light source used for laser annealing, and is generally a problem that occurs when laser beams output from three or more multi-transverse mode semiconductor lasers are condensed in a spot shape.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置サイズを増大させることなく、より大きな光強度を有し光強度のムラが低減されたレーザ光をスポット状に集光させることができるレーザ光照方法および装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can condense laser light having a larger light intensity and reduced light intensity unevenness in a spot shape without increasing the apparatus size. An object of the present invention is to provide a laser light irradiation method and apparatus.

本発明のレーザ光照装置は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する3つ以上の半導体レーザと、前記半導体レーザから射出された各レーザ光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた各レーザ光を所定面上へスポット状に集光させる集光光学系とを備えたレーザ光照射装置であって、コリメートレンズから集光光学系に至るまでの光路に配された、互に異なる光路を伝播する少なくとも2つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させる偏光合波手段と、前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させる角度合波手段と、前記光路中に配された、前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させる干渉性低減手段とを備えたことを特徴とするものである。   The laser light irradiation apparatus of the present invention includes three or more semiconductor lasers each emitting multi-lateral mode laser light, a collimating lens for collimating each laser light emitted from the semiconductor laser, and each collimated laser light. A laser beam irradiation apparatus including a condensing optical system that collects light in a spot shape on a predetermined surface, and propagates through different optical paths arranged in the optical path from the collimating lens to the condensing optical system. Polarization multiplexing means for combining and propagating at least two of the laser beams to the same optical path, and the laser beam combined with the polarization and other laser beams, and the optical axes of all the laser beams on the predetermined plane Interference on a predetermined plane of two wavefront components propagating at positions symmetrical with respect to the optical axis of the laser beam disposed in the optical path, and angle multiplexing means for angularly multiplexing so as to cross each other Is characterized in that a coherence reducing means for reducing the.

前記レーザ光照装置は、偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させる光路変位手段を備えたものとすることができる。   The laser beam illuminating device is a state in which the polarization-combined laser beam and other laser beams are arranged in a state in which the optical axes of all the laser beams are made parallel to each other, and the interval between the optical axes of the laser beams is a semiconductor. An optical path displacing means for displacing the optical path of the laser beam so as to be incident on the condensing optical system in a state of being made smaller than the interval between the optical axes of each laser beam when emitted from the laser; can do.

前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光の角度合波はスロー軸方向に行なわれるものとすることが望ましい。   It is desirable that the angle multiplexing of the polarization combined laser beam and the other laser beam is performed in the slow axis direction.

前記光路変位手段は、偏光合波手段により偏光合波された偏光合波レーザ光の光軸とこの偏光合波レーザ光とは異なる光路を伝播する他のレーザ光の光軸の全てを、互に平行にせしめた状態で、かつ、前記偏光合波レーザ光の光軸および他のレーザ光の光軸に関する互いの間隔を、これらの光軸に対応する前記偏光合波レーザ光を構成するレーザ光が半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸および他のレーザ光が半導体レーザから射出されるときの光軸に関する間隔よりも小さくせしめた状態で、前記偏光合波レーザ光と他のレーザ光とを共に集光光学系へ入射させるように、偏光合波レーザ光および他のレーザ光のうちの少なくとも1つ以上の光路を変位させるものとすることができる。   The optical path displacing means exchanges the optical axis of the polarization-combined laser light that has been polarization-combined by the polarization-combining means and all the optical axes of the other laser lights that propagate in the optical path different from the polarization-combined laser light. A laser that constitutes the polarization-combined laser beam corresponding to the optical axes of the polarization-combined laser beam and the optical axes of the other laser beams in a state of being parallel to each other and the optical axes of the other laser beams. In the state where the optical axis of each laser beam when the light is emitted from the semiconductor laser and the interval with respect to the optical axis when the other laser beam is emitted from the semiconductor laser are made smaller than each other, It is possible to displace at least one optical path of the polarization-combined laser beam and the other laser beam so that both the laser beam and the laser beam are incident on the condensing optical system.

前記干渉性低減手段は、前記レーザ光のうちの1つ以上について、そのレーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させるものとすることができる。   The coherence reducing means reduces, for one or more of the laser beams, the coherence on a predetermined plane of two wavefront components propagating at positions symmetrical to the optical axis of the laser beam. can do.

前記レーザ光照装置は半導体レーザを4つ備えることができ、偏光合波手段は、半導体レーザそれぞれから射出された4つのレーザ光のうちの2つのレーザ光を偏光合波させるとともに、他の2つのレーザ光をも偏光合波させるものとすることができ、光路変位手段は、2つの前記偏光合波されたレーザ光のうちの少なくともいずれか1つの光路を変位させるものとすることができる。   The laser light illumination device can include four semiconductor lasers, and the polarization multiplexing unit can combine two laser beams out of the four laser beams emitted from the respective semiconductor lasers, and the other two laser beams. Laser light can also be polarized and multiplexed, and the optical path displacement means can displace at least one of the two polarized and multiplexed laser lights.

前記干渉性低減手段は、半導体レーザから射出されるレーザ光における遠視野像の形成位置近傍に配置されたものとすることができる。なお、干渉性低減手段は、遠視野像の形成位置において、レーザ光の波面成分をこのレーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分に分離して所定面上での干渉性を低減させるものとすることができる。   The coherence reducing means may be disposed in the vicinity of a far field image formation position in laser light emitted from a semiconductor laser. The coherence reducing means separates the wavefront component of the laser light into two wavefront components that propagate symmetrically with respect to the optical axis of the laser light at the position where the far-field image is formed. Interference can be reduced.

前記干渉性低減手段は1/2波長位相差素子とすることができ、この1/2波長位相差素子は前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分のうちのいずれか一方の位相を変化させるように配置されたものとすることができる。   The coherence reducing means may be a ½ wavelength phase difference element, and the ½ wavelength phase difference element is one of two wavefront components propagating in a symmetric position with respect to the optical axis of the laser beam. Any one of the phases may be changed.

前記半導体レーザは気密封止されたものとすることができる。   The semiconductor laser may be hermetically sealed.

前記コリメートレンズと前記集光光学系とは、半導体レーザから射出される各レーザ光の近視野像を所定面上に結像させる結像光学系形を構成するものであることが望ましい。   It is desirable that the collimating lens and the condensing optical system constitute an imaging optical system that forms a near-field image of each laser beam emitted from a semiconductor laser on a predetermined surface.

前記レーザ光照装置は、所定面を非晶質半導体膜上の領域とし、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときのこのレーザ光から吸収するエネルギの吸収率が変動するものとし、レーザ光を非晶質半導体膜上へ走査させるときに、非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光のエネルギを非晶質半導体膜上の場所によらず一定とするように、前記レーザ光の光強度または走査速度を調節する吸収エネルギ調節手段を備えたものとすることができる。   The laser light irradiation device has a predetermined surface as a region on an amorphous semiconductor film, and the amorphous semiconductor film is irradiated with the laser light according to a difference in crystal state in the amorphous semiconductor film. Assuming that the absorption rate of energy absorbed from the laser beam fluctuates, when the laser beam is scanned onto the amorphous semiconductor film, the energy of the laser beam absorbed by the amorphous semiconductor film is converted to an amorphous semiconductor. Absorption energy adjusting means for adjusting the light intensity or the scanning speed of the laser beam may be provided so as to be constant regardless of the location on the film.

前記吸収エネルギ調節手段は、レーザ光の波長の相違を用いて合波させる波長合波等により照射光強度を変化させる手段とすることができる。また、この吸収エネルギ調節手段を、レーザ光の光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子としたり、前記レーザ光の波長を合波させる波長合波手段とすることもできる。   The absorption energy adjusting means may be a means for changing the irradiation light intensity by wavelength multiplexing or the like for multiplexing using the difference in wavelength of laser light. Further, the absorption energy adjusting means may be a spatial modulation element having a complex amplitude distribution of an inverse Fourier transform profile arranged in the optical path of the laser light, or a wavelength multiplexing means for multiplexing the wavelengths of the laser light. You can also.

本発明のレーザ光照射方法は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する3つ以上の半導体レーザから射出されコリメートレンズによってコリメートされた各レーザ光を集光光学系により所定面上へスポット状に集光させるレーザ光照射方法であって、コリメートレンズから集光光学系に至るまでの互に異なる光路を伝播する少なくとも2つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させ、前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させるとともに、前記コリメートレンズから集光光学系に至るまでの光路中において、前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の前記所定面上での干渉性を低減させることを特徴とするものである。   In the laser beam irradiation method of the present invention, each laser beam emitted from three or more semiconductor lasers respectively emitting multi-lateral mode laser beams and collimated by a collimating lens is spotted onto a predetermined surface by a condensing optical system. A laser beam irradiation method for condensing, wherein at least two laser beams propagating in mutually different optical paths from a collimating lens to a condensing optical system are polarized and combined to be propagated to the same optical path, and the polarization combining is performed. In the optical path from the collimating lens to the condensing optical system, the waved laser beam and other laser beams are angle-multiplexed so that the optical axes of all the laser beams intersect each other on the predetermined plane. The coherence on the predetermined plane of two wavefront components propagating in a symmetric position with respect to the optical axis of the laser beam is reduced.

前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を前記半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させるようにすることができる。   The laser light combined with the polarized light and the other laser light are emitted from the semiconductor laser with the optical axes of all the laser lights parallel to each other, and the interval between the optical axes of the laser lights is emitted from the semiconductor laser. The optical path of the laser beam can be displaced so that the laser beam is incident on the condensing optical system in a state of being smaller than the interval between the optical axes of each laser beam.

前記所定面を非晶質半導体膜上の領域とし、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときの該レーザ光から吸収するエネルギの吸収率が変動するものとし、レーザ光を非晶質半導体膜上へ走査させるときに前記非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光のエネルギをこの非晶質半導体膜上の場所によらず一定とするように、レーザ光の光強度または走査速度を調節するようにしてもよい。   The predetermined surface is a region on the amorphous semiconductor film, and the amorphous semiconductor film is irradiated from the laser light when irradiated with the laser light according to a difference in crystal state in the amorphous semiconductor film. It is assumed that the absorption rate of the energy to be absorbed fluctuates, and the laser beam energy absorbed by the amorphous semiconductor film when the laser beam is scanned onto the amorphous semiconductor film is a place on the amorphous semiconductor film. However, the light intensity or scanning speed of the laser light may be adjusted so as to be constant regardless of the case.

前記2つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させるレーザ光は、各半導体レーザから射出されたレーザ光のうちの1つ以上とすることができる。   The laser beam that reduces the coherence of the two wavefront components on the predetermined plane can be one or more of the laser beams emitted from the respective semiconductor lasers.

なお、「偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光の両光軸間の間隔を半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態」とは、偏光合波されたレーザ光に対応する各半導体レーザから射出される各レーザ光の光軸と他のレーザ光に対応する半導体レーザから射出されるレーザ光の光軸との間隔における最小間隔よりも、偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光の両光軸間の間隔の方が小さくなるようにした状態を意味する。   In addition, “the state in which the interval between both optical axes of the laser beam combined with polarization and the other laser beam is made smaller than the interval between the optical axes of each laser beam when emitted from the semiconductor laser” More than the minimum interval between the optical axis of each laser beam emitted from each semiconductor laser corresponding to the laser beam combined with the polarization and the optical axis of the laser beam emitted from the semiconductor laser corresponding to the other laser beam This means a state in which the distance between the optical axes of the polarization-multiplexed laser beam and the other laser beam is made smaller.

なお、上記所定面において互に交わるように角度合波させるとは、互に異なる光路を伝播する複数のレーザ光を、各レーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるようにこの所定面上へ入射させることを意味するものである。   Note that the angle multiplexing so as to intersect with each other on the predetermined surface means that a plurality of laser beams propagating through different optical paths are transmitted to the predetermined surface so that the optical axes of the laser beams intersect with each other on the predetermined surface. This means that the light is incident on the top.

また、スロー軸方向に角度合波させるとは、前記所定面において互に交わるようにこの所定面へ入射せしめられる各レーザ光の光軸が同一平面上に位置するように、かつ、前記所定面へ入射せしめられる各レーザ光のスロー軸が前記平面上に位置するように、各レーザ光を所定面で交差させることを意味するものである。   Further, the angle multiplexing in the slow axis direction means that the optical axes of the laser beams incident on the predetermined surface are located on the same plane so as to intersect each other on the predetermined surface, and the predetermined surface This means that the laser beams intersect at a predetermined plane so that the slow axes of the laser beams incident on the plane are positioned on the plane.

本発明のレーザ光照方法および装置によれば、コリメートレンズから集光光学系に至るまでの互に異なる光路を伝播する少なくとも2つのレーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させ、この偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させるとともに、上記光路中において、レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させるようにしたので、装置サイズを大型化することなく、より大きな光強度を有し光強度のムラが低減されたレーザ光をスポット状に集光させることができる。   According to the laser light irradiation method and apparatus of the present invention, at least two laser beams propagating in mutually different optical paths from the collimating lens to the condensing optical system are polarized and multiplexed and propagated to the same optical path. The waved laser beam and other laser beams are angle-multiplexed so that the optical axes of all the laser beams intersect with each other on the predetermined plane, and are symmetric with respect to the optical axis of the laser beam in the optical path. Since the coherence on the predetermined plane of the two wavefront components propagating the position is reduced, the laser beam has a higher light intensity and reduced light intensity unevenness without increasing the size of the apparatus. Can be condensed in a spot shape.

すなわち、上記偏光合波手段により、互いに異なる光路を通る2つのレーザ光の光路を一致させ、3つ以上のレーザ光の集光光学系への入射領域を、従来に比して、より小さな領域とすることができる。これにより、装置サイズを増大させることなく、より多くの半導体レーザから射出されたレーザ光を集光光学系に通すことができるので、より大きな光強度を有するレーザ光を所定面上のスポット状の領域に集光させることができる。   That is, by the polarization multiplexing means, the optical paths of two laser beams passing through different optical paths are made to coincide with each other, and the incident area to the condensing optical system of three or more laser lights is smaller than the conventional area. It can be. This allows laser light emitted from a larger number of semiconductor lasers to pass through the condensing optical system without increasing the size of the apparatus, so that laser light having a greater light intensity can be spot-shaped on a predetermined surface. It can be focused on the area.

また、偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させる光路変位手段を備えたものとすれば、上記偏光合波されたレーザ光の光路と他のレーザ光の光路とをより近づけることができるので、3つ以上のレーザ光の集光光学系への入射領域を、さらに小さな領域とすることができる。これにより、上記と同様により大きな光強度を有するレーザ光を所定面上のスポット状の領域に集光させることができる。   In addition, the laser beam combined with polarization and other laser beams are emitted from the semiconductor laser with the optical axes of all the laser beams parallel to each other, and the interval between the optical axes of the laser beams is emitted from the semiconductor laser. If there is provided an optical path displacing means for displacing the optical path of the laser beam so as to be incident on the condensing optical system in a state of being smaller than the interval between the optical axes of each laser beam when Since the optical path of the laser beam combined with the polarization can be made closer to the optical path of the other laser light, the incident area of the three or more laser beams into the condensing optical system can be further reduced. . Thereby, similarly to the above, laser light having a larger light intensity can be condensed on a spot-like region on the predetermined surface.

また、半導体レーザを4つ備え、偏光合波手段を、半導体レーザそれぞれから射出された4つのレーザ光のうちの2つのレーザ光と他の2つのレーザ光とをそれぞれ偏光合波させるものとし、光路変位手段を、偏光合波されたレーザ光の光路のうちの少なくともいずれか1つを変位させるものとすれば、より確実により大きな光強度を有するレーザ光を所定面上のスポット状の領域へ集光させることができる。   Further, four semiconductor lasers are provided, and the polarization multiplexing unit is configured to respectively combine two laser beams of the four laser beams emitted from the semiconductor lasers and the other two laser beams, respectively. If the optical path displacing means is configured to displace at least one of the optical paths of the polarization-combined laser light, the laser light having a greater light intensity is more reliably transferred to the spot-like region on the predetermined surface. It can be condensed.

また、上記レーザ光の2つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させることにより、レーザ光が照射される所定面上のスポット状の領域における光強度のムラを低減させることができ、上記スポット状の領域をより均一な光強度で照射することができる。   Further, by reducing the coherence on the predetermined surface of the two wavefront components of the laser light, it is possible to reduce the unevenness of the light intensity in the spot-like region on the predetermined surface irradiated with the laser light, The spot-like region can be irradiated with a more uniform light intensity.

また、干渉性低減手段を、半導体レーザから射出されたレーザ光における遠視野像の形成位置に配置されたものとすれば、上記スポット状の領域における光強度のムラをさらに確実に低減することができる。   Further, if the coherence reducing means is arranged at the position where the far-field image is formed in the laser light emitted from the semiconductor laser, the unevenness of the light intensity in the spot-like region can be further reliably reduced. it can.

ここで、干渉性低減手段を1/2波長位相差素子とし、この1/2波長位相差素子をレーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分のうちのいずれか一方の位相を変化させるように配置すれば、上記スポット状の領域における光強度のムラをより確実に低減することができる。   Here, the coherence reducing means is a half-wavelength phase difference element, and the half-wavelength phase difference element is one of two wavefront components propagating at positions symmetrical with respect to the optical axis of the laser beam. If it arrange | positions so that the phase of this may be changed, the nonuniformity of the light intensity in the said spot-like area | region can be reduced more reliably.

また、半導体レーザを気密封止されたものとすれば、半導体レーザの変質を抑制し、かつ、アセンブリ時の半導体レーザ自体のハンドリングミスによる破損を防止することができ、さらに、半導体レーザの寿命を延ばすことができる。   Further, if the semiconductor laser is hermetically sealed, it is possible to suppress deterioration of the semiconductor laser, prevent damage due to a handling error of the semiconductor laser itself during assembly, and further improve the life of the semiconductor laser. Can be extended.

なお、所定面を非晶質半導体膜上の領域とし、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じてレーザ光の照射を受けたときのこのレーザ光からのエネルギの吸収率が変動するものとし、レーザ光を非晶質半導体膜上へ走査させるときに、非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光のエネルギが非晶質半導体膜上の場所によらず一定となるように、レーザ光の光強度または走査速度を調節するようにすれば、非晶質半導体膜中の結晶状態に場所による違いがあったとしても非晶質半導体膜上の領域を均一にアニール処理することができる
ここで、吸収エネルギ調節手段を、レーザ光の光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子としたり、波長を合波する波長合波手段とすれば、非晶質半導体膜上の領域の均一なアニール処理をより確実に実施することができる
The predetermined surface is a region on the amorphous semiconductor film, and the amorphous semiconductor film is irradiated with laser light according to the difference in crystal state in the amorphous semiconductor film. When the laser beam is scanned onto the amorphous semiconductor film, the energy of the laser beam absorbed by the amorphous semiconductor film depends on the location on the amorphous semiconductor film. If the light intensity or scanning speed of the laser light is adjusted so as to be constant, the region on the amorphous semiconductor film can be changed even if there is a difference in the crystalline state in the amorphous semiconductor film. Annealing treatment can be performed uniformly Here, the absorption energy adjusting means is a spatial modulation element having a complex amplitude distribution of an inverse Fourier transform profile arranged in the optical path of the laser beam, or wavelength multiplexing for combining wavelengths As a means, amorphous half Uniform annealing treatment of the area on the conductor film can be performed more reliably.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図1から図17は、本発明の実施の形態によるレーザ光照射装置およびマルチビーム走査光学系を適用したレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールに関する図である。図18は本発明のレーザ光照射装置を示す断面図、図19(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である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 17 are diagrams relating to a laser annealing apparatus to which a laser beam irradiation apparatus and a multi-beam scanning optical system according to an embodiment of the present invention are applied, and laser annealing performed using this apparatus. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a laser beam irradiation apparatus of the present invention, and FIGS. 19A and 19B are diagrams for explaining a configuration for reducing the coherence of multi-lateral mode light.

なお、上記図1から図17に示すレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールについては後述する。   The laser annealing apparatus shown in FIGS. 1 to 17 and the laser annealing performed using this apparatus will be described later.

図18に示すレーザ光照射装置221は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する4つのマルチ横モード半導体レーザ223A〜223D(以後、単に、半導体レーザ223A〜223D、あるいは、まとめて半導体レーザ223ともいう)と、半導体レーザ223A〜223Dから射出された各レーザ光をコリメートするコリメートレンズ124A〜124D(まとめてコリメートレンズ124ともいう)と、コリメートされた各レーザ光を所定面Hp上へスポット状(面積のある1点)に集光させる集光光学系である集光レンズ230とを備えている。   A laser beam irradiation apparatus 221 shown in FIG. 18 includes four multi transverse mode semiconductor lasers 223A to 223D (hereinafter simply referred to as semiconductor lasers 223A to 223D, or collectively, semiconductor lasers 223) that respectively emit multi transverse mode laser beams. And collimating lenses 124A to 124D (collectively referred to as collimating lenses 124) for collimating the laser beams emitted from the semiconductor lasers 223A to 223D, and the collimated laser beams to the predetermined surface Hp in a spot shape ( And a condensing lens 230 that is a condensing optical system for condensing light at one point having an area.

なお、レーザ光照射装置221において、4個の半導体レーザ223A〜223Dは、図示Y方向(図18の紙面上下方向)に1列に配列されている。また、半導体レーザ223A、223B、223C、223Dそれぞれからレーザ光La、Lb、Lc、Ld(以後、まとめてレーザ光LLともいう)のそれぞれが射出される。なお、上記半導体レーザ223は気密封止されたものであってもよい。   In the laser light irradiation device 221, the four semiconductor lasers 223A to 223D are arranged in a line in the Y direction (up and down direction in FIG. 18). Further, laser beams La, Lb, Lc, and Ld (hereinafter collectively referred to as laser light LL) are emitted from the semiconductor lasers 223A, 223B, 223C, and 223D, respectively. The semiconductor laser 223 may be hermetically sealed.

また、上記コリメートレンズ124と集光レンズ230とで構成される結像光学系が、各レーザ光La、Lb、Lc、Ldの近視野像を所定面Hp上へ結像させることにより上記スポット状の領域が形成される。すなわち、上記結像光学系が、半導体レーザ223のレーザ光LLの射出面におけるこのレーザ光LLの光強度分布を示す近視野像を所定面Hp上に結像させる。なお、必ずしも、上記コリメートレンズ124と集光レンズ230とで構成される結像光学系がレーザ光の近視野像を所定面Hp上へ結像させる必要はなく、単にレーザ光を所定面Hp上にスポット状に集光させるようにしてもよい。   Further, the imaging optical system composed of the collimating lens 124 and the condenser lens 230 forms the near-field images of the laser beams La, Lb, Lc, and Ld on the predetermined surface Hp, thereby forming the spot shape. Regions are formed. That is, the imaging optical system forms a near-field image indicating the light intensity distribution of the laser beam LL on the exit surface of the laser beam LL of the semiconductor laser 223 on the predetermined plane Hp. Note that the imaging optical system composed of the collimator lens 124 and the condenser lens 230 does not necessarily form a near-field image of the laser light on the predetermined surface Hp. The light may be condensed in a spot shape.

さらに、上記レーザ光照射装置221は、コリメートレンズ124から集光レンズ230に至るまでの光路に配された、互に異なる光路を伝播する2つのレーザ光La、Lcを偏光合波して同一光路へ伝播させるとともに、互に異なる光路を伝播する2つのレーザ光Lb、Ldを偏光合波して同一光路へ伝播させる後述する偏光合波手段と、上記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、両レーザ光の光軸が所定面において互に交わるように角度合波させる角度合波手段と、上記レーザ光La、Lcを偏光合波させたレーザ光Lacと他のレーザ光Lb、Ldを偏光合波させたレーザ光Lbdを、両レーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、両光軸間の間隔を半導体レーザ223から射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で集光レンズ230へ入射させるように、両レーザ光の光路を変位させる後述する光路変位手段と、コリメートレンズ124から集光レンズ230に至るまでの上記光路中に配された、レーザ光Lacの光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の所定面Hp上での干渉性を低減させるとともに、他のレーザ光Lbdの光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させる後述する干渉性低減手段とを備えている。   Further, the laser beam irradiation device 221 polarization-combines two laser beams La and Lc, which are disposed in the optical path from the collimating lens 124 to the condenser lens 230 and propagate in different optical paths, to the same optical path. Polarization combining means for polarizing and combining two laser beams Lb and Ld propagating in different optical paths and propagating them to the same optical path, and the polarization combined laser beam and another laser Angle combining means for combining light so that the optical axes of the two laser beams intersect each other on a predetermined plane, laser light Lac obtained by polarization combining the laser beams La and Lc, and other laser beams Lb, The laser beam Lbd obtained by polarization combining Ld is in a state where the optical axes of both laser beams are parallel to each other, and the interval between the optical axes is emitted from the semiconductor laser 223. Spacing between optical axes An optical path displacing means for displacing the optical paths of both laser beams, which will be described later, so as to be incident on the condensing lens 230 in a state of being made smaller, and the optical path from the collimating lens 124 to the condensing lens 230. In addition, the coherence on the predetermined plane Hp of the two wavefront components propagating symmetrically with respect to the optical axis of the laser light Lac is reduced, and the symmetrical position with respect to the optical axis of the other laser light Lbd is set. Coherence reducing means to be described later for reducing the coherence of the two wavefront components propagating on a predetermined plane.

なお、上記4個の半導体レーザ223、4個のコリメートレンズ124、偏光合波手段、光路変位手段、干渉性低減手段等が半導体レーザ光源部221Gを構成している。   The four semiconductor lasers 223, the four collimating lenses 124, the polarization multiplexing unit, the optical path displacement unit, the coherence reduction unit, and the like constitute the semiconductor laser light source unit 221G.

すなわち、上記レーザ光照射装置221は、ここでは半導体レーザ光源部221Gと集光レンズ230とから構成されるものである。   In other words, the laser beam irradiation device 221 is composed of the semiconductor laser light source unit 221G and the condenser lens 230 here.

上記集光レンズ230は角度合波手段を兼ねるものである。   The condensing lens 230 also serves as angle multiplexing means.

上記偏光合波手段は、偏光ビームスプリッタであるPBS126A,PBS126B、および1/2波長位相差素子である1/2波長板127を組合わせたものである。上記PBS126A,PBS126Bはいずれも、直角プリズムを2個接着してなるキューブ状の偏光ビームスプリッタである。なお、上記干渉性低減手段は、半導体レーザ223におけるレーザ光LLの射出面から離れた遠方でのレーザ光LLの光強度分布を示す遠視野像の形成位置近傍に配置されている。   The polarization multiplexing means is a combination of PBS 126A and PBS 126B that are polarization beam splitters and a ½ wavelength plate 127 that is a ½ wavelength phase difference element. Each of the PBS 126A and PBS 126B is a cube-shaped polarization beam splitter formed by bonding two right-angle prisms. The coherence reducing means is disposed in the vicinity of the far-field image forming position indicating the light intensity distribution of the laser light LL at a distance away from the emission surface of the laser light LL in the semiconductor laser 223.

PBS126Aに入射したレーザ光La,Lbが射出されるこのPBS126Aの射出面と、このPBS126Aの射出面から射出されたレーザ光La,Lbを入射させるPBS126Bの入射面とが接合または隣接配置されている。また、レーザ光Lc,Ldを入射させるPBS126Bの入射面上には、レーザ光Lc,Ldの偏光方向を90°回転させる1/2波長板127が取り付けられている。   The exit surface of the PBS 126A from which the laser beams La and Lb incident on the PBS 126A are emitted and the entrance surface of the PBS 126B on which the laser beams La and Lb emitted from the exit surface of the PBS 126A are incident or joined are arranged. . A half-wave plate 127 for rotating the polarization directions of the laser beams Lc and Ld by 90 ° is attached on the incident surface of the PBS 126B on which the laser beams Lc and Ld are incident.

PBS126Aが、例えばP波成分を反射させS波成分を反射させる場合には、PBS126Aに入射したレーザ光La,Lbは、各々S波成分がPBS126Aを透過し、P波成分がPBS126A内で反射されてPBS126Bに入射するようになっている。なお、上記PBS126Aに入射するレーザ光La,LbはP波成分の多い偏光の向きとなっている。   When the PBS 126A reflects, for example, the P wave component and reflects the S wave component, the laser light La and Lb incident on the PBS 126A has the S wave component transmitted through the PBS 126A and the P wave component reflected within the PBS 126A. Then, the light enters the PBS 126B. The laser beams La and Lb incident on the PBS 126A are in the direction of polarized light with many P wave components.

また、PBS126Bは、PBS126Aとは反対にS波成分を反射させP波成分を透過するようになっており、PBS126Aによって反射されたP波成分はそのままPBS126Bを透過する。   In contrast to PBS 126A, PBS 126B reflects the S wave component and transmits the P wave component, and the P wave component reflected by PBS 126A passes through PBS 126B as it is.

上記レーザ光Lc,Ldは各々、1/2波長板127により偏光方向を90°回転させてからPBS126Bへ入射させることにより、今度はS波成分の多い偏光の向きとなるので、従ってS波を反射するPBS126Bにおいては、光量の割合の少ないP波成分がPBS126Bを透過して、光量の割合の多いS波が反射される。   Each of the laser beams Lc and Ld is rotated by 90 ° by the half-wave plate 127 and then made incident on the PBS 126B, so that the direction of polarized light having a large S wave component is obtained. In the reflecting PBS 126B, the P wave component with a small amount of light passes through the PBS 126B, and the S wave with a large amount of light is reflected.

半導体レーザは、比較的光出力が小さく、単独では高速走査アニールするために必要な光パワー密度が得られないので、半導体レーザ光源部221Gは、複数(ここでは4個)の半導体レーザ223を備える構成としている。さらに、後述するレーザアニール装置100のレーザヘッド120は半導体レーザ光源部221Gを複数(ここでは8個)備える構成となっている。   Since the semiconductor laser has a relatively small optical output, and the optical power density necessary for high-speed scanning annealing cannot be obtained by itself, the semiconductor laser light source unit 221G includes a plurality of (here, four) semiconductor lasers 223. It is configured. Further, a laser head 120 of the laser annealing apparatus 100 described later has a configuration including a plurality (here, eight) of semiconductor laser light source units 221G.

個々の半導体レーザ223から出射されたレーザ光を角度合波のみで合波すると、焦点深度が浅くなり、焦点ずれによる光強度ばらつきが大きくなる恐れがある。マルチ横モードの半導体レーザでは、ファスト軸方向の放射角度が40°〜60°であり、スロー軸方向の放射角度15°〜25°である。本実施形態では、複数の半導体レーザ223から出射されたレーザ光La〜Ldを、ファスト軸方向に偏光合波させ、上記ファスト軸方向と直交するスロー軸方向に角度合波させる構成とすることで、焦点ずれによる光強度ばらつきを抑制し、必要な光パワー密度を得ている。なお、上記角度合波させるスロー軸方向は、上記光路変位手段によりレーザ光の光路を変位させる方向とすることが望ましい。   When the laser beams emitted from the individual semiconductor lasers 223 are combined only by the angle combination, the depth of focus becomes shallow, and the light intensity variation due to the defocus may increase. In the multi-lateral mode semiconductor laser, the radiation angle in the fast axis direction is 40 ° to 60 °, and the radiation angle in the slow axis direction is 15 ° to 25 °. In the present embodiment, the laser beams La to Ld emitted from the plurality of semiconductor lasers 223 are polarized and multiplexed in the fast axis direction, and are angularly multiplexed in the slow axis direction perpendicular to the fast axis direction. The light intensity variation due to defocusing is suppressed, and the necessary optical power density is obtained. In addition, it is desirable that the slow axis direction in which the angle is combined is a direction in which the optical path of the laser beam is displaced by the optical path displacing means.

半導体レーザ光源部221Gからレーザ光が射出される出口には、マルチ横モードの半導体レーザ223から出射される個々の次数の高次横モードのレーザ光の波面成分であって、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、後述する1/2波長位相差素子128が設けられている。1/2波長位相差素子128は、上記2つの波面成分のうち一方の波面成分の偏光方向を90°回転させるものである。したがって、上記1/2波長位相差素子128は、上記レーザ光の光軸を通りこの光軸と直交する直線を間に挟んで互に対向する2つの光束のうちの片側の光束のみを通すように配置されている。   At the exit from which the laser beam is emitted from the semiconductor laser light source unit 221G, there is a wavefront component of the laser beam of the higher order transverse mode of each order emitted from the semiconductor laser 223 in the multi transverse mode, with respect to the optical axis. In order to reduce the coherence of the two wavefront components propagating in the substantially symmetric direction, a ½ wavelength phase difference element 128 described later is provided. The ½ wavelength phase difference element 128 rotates the polarization direction of one of the two wavefront components by 90 °. Therefore, the ½ wavelength phase difference element 128 passes only the light beam on one side of the two light beams facing each other with a straight line passing through the optical axis of the laser light and orthogonal to the optical axis in between. Is arranged.

上記光路変位手段は、ここでは、反射ミラー125A〜125D(以後、まとめて反射ミラー125ともいう)と1/2波長板127とPBS126AとPBS126Bとで構成されている。   Here, the optical path displacing means includes reflection mirrors 125A to 125D (hereinafter collectively referred to as reflection mirror 125), a half-wave plate 127, PBS 126A, and PBS 126B.

上記光路変位手段は、各半導体レーザ223から射出され反射ミラー125で反射されて互いの光軸の間隔が狭くなったレーザ光La、Lb、Lc、Ldのうちのレーザ光La、Lcを上記偏光合波手段に通して偏光合波させたレーザ光Lacと、レーザ光Lb、Ldを上記偏光合波手段に通して偏光合波させたレーザ光Lbdとを得る。そして、レーザ光Lacとレーザ光Lbdとを、両レーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、両光軸間の間隔を半導体レーザ223A〜223Dから射出されるときの各レーザ光La〜Ldの光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で集光レンズ230へ入射させるように、両レーザ光の光路(レーザ光Lacの光路とレーザ光Lbdの光路)の一方、または両方を変位させる。   The optical path displacing means converts the laser beams La and Lc out of the laser beams La, Lb, Lc, and Ld, which are emitted from the semiconductor lasers 223 and reflected by the reflection mirror 125 to narrow the distance between the optical axes, into the polarized light. A laser beam Lac that is polarized and combined through the combining unit, and a laser beam Lbd that is combined with the laser beams Lb and Ld through the polarization combining unit are obtained. Each laser beam when the laser beam Lac and the laser beam Lbd are emitted from the semiconductor lasers 223A to 223D in a state where the optical axes of the two laser beams are parallel to each other and the interval between the two optical axes is emitted. One or both of the optical paths of the laser beams (the optical path of the laser beam Lac and the optical path of the laser beam Lbd) so as to be incident on the condenser lens 230 in a state of being smaller than the interval between the optical axes of the light La to Ld. Is displaced.

ここで、レーザ光Lacとレーザ光Lbdとを、両レーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、両光軸間の間隔を半導体レーザ223A〜223Dから射出されるときの各レーザ光L1〜L4の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で集光光レンズ230へ入射させるとは、以下のような態様を意味するものである。   Here, when the laser beams Lac and Lbd are emitted from the semiconductor lasers 223A to 223D in a state where the optical axes of the laser beams are parallel to each other, and the interval between the optical axes is emitted from the semiconductor lasers 223A to 223D, respectively. Making it enter into the condensing light lens 230 in the state made smaller than the space | interval between the optical axes of the laser beams L1-L4 means the following aspects.

すなわち、レーザ光Lacを構成するレーザ光La、Lcが半導体レーザ223A、223Cから射出されたときの光軸それぞれを光軸Ja、Jc、レーザ光Lbdを構成するレーザ光Lb、Ldが半導体レーザ223B、223Dから射出されたときの光軸それぞれを光軸Jb、Jd、レーザ光Lac、Lbdそれぞれの光軸を光軸Jac、光軸Lbdとする。このときに、光軸Ja、Jcのうちの1つの光軸と光軸Jb、Jdのうちの1つの光軸との間の最小間隔よりも、光軸Jacと光軸Lbdとの間隔の方が小さくなるように、上記光路変位手段が両レーザ光Lac、Lbdの光路を変位させ、かつ、両レーザ光Lac、Lbdの光軸Jac、Lbdを互に平行にせしめることを意味する。   That is, when the laser beams La and Lc constituting the laser beam Lac are emitted from the semiconductor lasers 223A and 223C, the optical axes Ja and Jc are the optical axes, and the laser beams Lb and Ld constituting the laser beam Lbd are the semiconductor laser 223B. 223D are the optical axes Jb and Jd, and the optical axes of the laser beams Lac and Lbd are the optical axes Jac and Lbd, respectively. At this time, the distance between the optical axis Jac and the optical axis Lbd is smaller than the minimum distance between one optical axis among the optical axes Ja and Jc and one optical axis among the optical axes Jb and Jd. Means that the optical path displacing means displaces the optical paths of both laser beams Lac and Lbd and makes the optical axes Jac and Lbd of both laser beams Lac and Lbd parallel to each other.

ここでは、上記半導体レーザ223A〜223Dから射出されるときの光軸Ja、Jcのうちの1つの光軸と光軸Jb、Jdのうちの1つの光軸との間の最小間隔は、光軸Jaと光軸Jb、光軸Jcと光軸Jb、光軸Jcと光軸Jdそれぞれの間隔はいずれも値Vpで互に等しいので、上記最小間隔の値は値Vpとなる。一方、光軸Jacと光軸Lbdとの間隔の値を値Vqとすると、上記光路変位手段は、光軸Jac、Lbdを互に平行にせしめた状態で、光軸Jac、Lbd間の間隔Vqを上記最小間隔Vpよりも小さくするように、すなわち、間隔Vq<間隔Vpの条件を満足するように、両レーザ光Lac、Lbdの光路を変位させる。   Here, the minimum distance between one of the optical axes Ja and Jc and one of the optical axes Jb and Jd when emitted from the semiconductor lasers 223A to 223D is the optical axis. Since the intervals of Ja and the optical axis Jb, the optical axis Jc and the optical axis Jb, and the optical axis Jc and the optical axis Jd are equal to each other with the value Vp, the value of the minimum interval is the value Vp. On the other hand, when the value of the interval between the optical axis Jac and the optical axis Lbd is a value Vq, the optical path displacing means has an interval Vq between the optical axes Jac and Lbd in a state where the optical axes Jac and Lbd are parallel to each other. Is made smaller than the minimum interval Vp, that is, the optical paths of both laser beams Lac and Lbd are displaced so as to satisfy the condition of the interval Vq <interval Vp.

また、上記干渉性低減手段は、上記コリメートレンズ124から集光レンズ230に至るまでの光路中に配された、合波されたレーザ光Lacの光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の上記所定面Hp上での干渉性を低減させる干渉性低減手段である1/2波長位相差素子128A(例えば1/2波長板)と、合波されたレーザ光Lbdの光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の上記所定面Hp上での干渉性を低減させる干渉性低減手段である1/2波長位相差素子128B(例えば1/2波長板)とを有するものである。   Further, the coherence reducing means propagates two positions which are arranged in the optical path from the collimating lens 124 to the condenser lens 230 and which are symmetrical with respect to the optical axis of the combined laser beam Lac. A 1/2 wavelength phase difference element 128A (for example, a 1/2 wavelength plate) which is an interference reduction means for reducing the interference of the wavefront component on the predetermined plane Hp, and the optical axis of the combined laser beam Lbd A half-wave phase difference element 128B (for example, a half-wave plate) that is a coherence reducing unit that reduces coherence of the two wavefront components propagating in symmetrical positions on the predetermined plane Hp. Is.

図19に示すように、上記半導体レーザ223等のマルチ横モードの半導体レーザLD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19(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19(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つの壁面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つの壁面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。   As shown in FIG. 19, a multi-lateral mode semiconductor laser LD such as the semiconductor laser 223 oscillates a plurality of higher-order transverse modes having different orders simultaneously. As shown in FIG. 19A, the near-field image NFP (m) of high-order transverse mode light of any one order m has an intensity distribution having a plurality of peaks according to the order, and between adjacent peaks. It is an image in which the phase of is reversed. As schematically shown in FIG. 19B, the optical waveguide R of the semiconductor laser LD has two wall surfaces E1 and E2 parallel to the optical axis A. Since one order of higher-order transverse mode light is emitted after being repeatedly reflected between these two wall surfaces E1 and E2, the higher-order transverse mode light of one order is roughly about the optical axis A. A plurality of two wavefront components W1 and W2 propagating in a symmetric direction are superimposed.

2つの波面成分W1とW2とは概略、波面成分W1が壁面E1で反射されるときに波面成分W2が壁面E2で反射され、波面成分W1が壁面E2で反射されるとき波面成分W2が壁面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。   The two wavefront components W1 and W2 are roughly the same. When the wavefront component W1 is reflected by the wall surface E1, the wavefront component W2 is reflected by the wall surface E2, and when the wavefront component W1 is reflected by the wall surface E2, the wavefront component W2 is reflected by the wall surface E1. It is in the relationship reflected by. It is considered that the near-field image NFP (m) having the intensity distribution and the phase distribution is formed by the interference between the two wavefront components W1 and W2.

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。   Actually, since a plurality of higher-order transverse modes having different orders are simultaneously oscillated, the actual near-field image NFP is a superposition of the near-field images NFP (m) of a plurality of higher-order transverse modes having different orders. .

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)を形成することになる。   If attention is paid to an arbitrary high-order transverse mode light of the order m, the two wavefront components W1 and W2 propagate in a substantially symmetric direction with respect to the optical axis A, and are substantially symmetrical with respect to the optical axis A. The far-field image FFP (m) having the characteristic intensity distributions P1 and P2 is formed.

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。   Even if the order of the high-order transverse mode light is different, a plurality of the two wavefront components W1 and W2 propagating in a substantially symmetrical direction with respect to the optical axis A are overlapped. However, the peak separation angle θ of the bimodal light intensity distributions P1 and P2 is determined by the stripe width and refractive index distribution of the optical waveguide R of the semiconductor laser, the oscillation wavelength, the order of the high-order transverse mode, etc. As the result, the peak separation angle θ tends to increase.

この図では、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。   In this figure, the far-field image FFP (m) of the high-order transverse mode light having the largest peak separation angle θ of the bimodal light intensity distributions P1 and P2 is indicated by a solid line, and the high-order transverse mode light of other orders is shown. The far field image FFP (m) is indicated by a broken line.

互に異なる次数の高次横モード光の間の干渉性は小さいが、同一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の間の干渉性は大きい。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°回転させる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、半導体レーザLDからの出射光の強度分布が均一になるように構成されている。   Although the coherence between high-order transverse mode lights of different orders is small, the coherence between the two wavefront components W1 and W2 constituting the same-order high-order transverse mode light is large. Therefore, in the present embodiment, a half-wavelength phase difference element 128 that rotates the polarization direction of one of the two wavefront components W1 and W2 by 90 ° is provided, and these two wavefront components W1 and W2 are The intensity distribution of the emitted light from the semiconductor laser LD is made uniform.

上記のように構成されたレーザ光照射装置221では、各半導体レーザ223から射出された各レーザ光La、Lb、Lc、Ldを、コリメートレンズ124および反射ミラー125へ通し、さらに、1/2波長板127、PBS126A、126B等へ通して偏光合波および光路変位させた互に平行な光軸を有する2つのレーザ光Lac,Lbdを得る。そして、上記レーザ光照射装置221は、これらのコリメートされた互に光軸が平行なレーザ光Lac,Lbdを集光レンズ230へ入射させ、集光レンズ230の作用により、2つレーザ光Lac,Lbdの各光軸Jac、Jbdを所定面Hp上で交差させるようにして上記各レーザ光の光束を集光させて、上記2つレーザ光Lac,Lbdそれぞれを所定面Hp上のスポット状の領域に集光させる。   In the laser beam irradiation apparatus 221 configured as described above, the laser beams La, Lb, Lc, and Ld emitted from the respective semiconductor lasers 223 are passed through the collimator lens 124 and the reflection mirror 125, and further, ½ wavelength Two laser beams Lac and Lbd having optical axes parallel to each other that have been subjected to polarization multiplexing and optical path displacement are obtained through the plate 127, PBS 126A, 126B, and the like. The laser beam irradiator 221 causes the collimated laser beams Lac and Lbd whose optical axes are parallel to each other to enter the condensing lens 230, and the two laser beams Lac, The Lbd optical axes Jac and Jbd intersect each other on a predetermined surface Hp so that the light beams of the laser beams are condensed, and the two laser beams Lac and Lbd are spot-like regions on the predetermined surface Hp. To collect light.

なお、上記態様は、4つの各半導体レーザ223から射出された4つの各レーザ光La、Lb、Lc、Ldをスポット状の1点に集光させる場合について説明したが、このような場合に限らない。   In the above embodiment, the case where the four laser beams La, Lb, Lc, and Ld emitted from the four semiconductor lasers 223 are focused on one spot-like point has been described. Absent.

本願発明のレーザ光照射方法および装置は、例えば、3つの各半導体レーザから射出された3つの各レーザ光をスポット状の1点に集光させたり、5つ以上の各半導体レーザから射出された5つ以上の各レーザ光をスポット状の1点に集光させたりしてもよい。   In the laser beam irradiation method and apparatus of the present invention, for example, each of the three laser beams emitted from each of the three semiconductor lasers is focused on one spot-like point or emitted from each of five or more semiconductor lasers. Five or more laser beams may be condensed at one spot-like point.

例えば、3つの各半導体レーザから射出された3つの各レーザ光をスポット状の1点に集光させる場合には、偏光合波手段により、第1および第2の半導体レーザから射出されコリメートされた第1および第2のレーザ光を偏光合波させ光軸を一致させて1つのレーザ光にまとめるとともに、光路変位手段により上記まとめられたレーザ光と第3の半導体レーザから射出されコリメートされた第3のレーザ光との互いの光軸を平行にし、かつ、半導体レーザから射出されたときよりも互いの光軸を接近させて上記第1〜第3のレーザ光を集光レンズに入射させることにより、上記と同様の効果を得ることができる。   For example, when the three laser beams emitted from the three semiconductor lasers are collected at one spot-like point, the light is emitted from the first and second semiconductor lasers and collimated by the polarization multiplexing means. The first and second laser beams are combined by polarization to match the optical axes to be combined into a single laser beam, and the collimated first laser beam and the third semiconductor laser are collimated by the optical path displacement means. The optical axes of the third laser beam and the third laser beam are made parallel to each other, and the first to third laser beams are made incident on the condenser lens with the optical axes closer to each other than when emitted from the semiconductor laser. Thus, the same effect as described above can be obtained.

ここで、半導体レーザから射出されたときよりも互いの光軸を接近させるとは、第3の半導体レーザから射出されるときの第3のレーザ光の光軸と第1の半導体レーザから射出されるときの第1のレーザ光の光軸との間隔、および上記第3のレーザ光の光軸と第2の半導体レーザから射出されるときの第2のレーザ光の光軸との間隔のうちのいずれか小さい方の間隔よりも、上記偏光合波でまとめられたレーザ光の光軸と第3のレーザ光の光軸との間隔を小さくすることを意味する。   Here, making the optical axes closer to each other than when emitted from the semiconductor laser means that the optical axis of the third laser light emitted from the third semiconductor laser is emitted from the first semiconductor laser. Of the distance between the optical axis of the first laser light and the distance between the optical axis of the third laser light and the optical axis of the second laser light emitted from the second semiconductor laser. This means that the interval between the optical axis of the laser beam and the optical axis of the third laser beam combined by the polarization multiplexing is made smaller than the smaller interval.

すなわち、例えば、上記図18に示すレーザ光照射装置において、半導体レーザ223Dを除いた3つの半導体レーザ223A、223B、223Cのみを用いて、所定面Hc上へ3つのレーザ光La、Lb、Lcをスポット状に集光させるようにしても上記と同様の効果を得ることができる。   That is, for example, in the laser beam irradiation apparatus shown in FIG. 18, the three laser beams La, Lb, and Lc are emitted onto the predetermined surface Hc using only the three semiconductor lasers 223A, 223B, and 223C except the semiconductor laser 223D. Even if the light is condensed in a spot shape, the same effect as described above can be obtained.

次に、上記レーザ光照射装置221を複数適用して構成した、本発明の他の態様のレーザ光照射装置であるマルチビーム走査光学系200について説明する。   Next, a multi-beam scanning optical system 200, which is a laser light irradiation apparatus according to another aspect of the present invention, which is configured by applying a plurality of the laser light irradiation apparatuses 221 will be described.

図20は本発明のレーザ光照射装置を採用したマルチビーム走査光学系の概略構成を示す概念図、図21は上記マルチビーム走査光学系をレーザ光が並ぶ方向(図中X方向)から見た様子を示す概念図、図22は上記マルチビーム走査光学系をレーザ光の伝播方向(図中Z方向)から見た様子を示す概念図である。   FIG. 20 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of a multi-beam scanning optical system employing the laser beam irradiation apparatus of the present invention, and FIG. 21 is a view of the multi-beam scanning optical system viewed from the direction in which the laser beams are aligned (X direction in the figure). FIG. 22 is a conceptual diagram showing the appearance of the multi-beam scanning optical system as seen from the propagation direction of laser light (Z direction in the figure).

なお、上記レーザ光照射装置221の構成要素と同等の構成要素には同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component equivalent to the component of the said laser beam irradiation apparatus 221, and the detailed description is abbreviate | omitted.

ここでは、マルチビーム走査光学系200は、上記レーザ光照射装置221を構成する半導体レーザ光源部221Gと同等の合波半導体レーザ光源を8個備えており、各合波半導体レーザ光源210a、b、・・から射出されたレーザ光は1つの集光レンズによって所定面Hp上の1方向(図中矢印X方向)に並ぶ8つの領域それぞれにスポット状に集光される。   Here, the multi-beam scanning optical system 200 includes eight combined semiconductor laser light sources equivalent to the semiconductor laser light source unit 221G constituting the laser light irradiation device 221, and each combined semiconductor laser light source 210 a, b, ... The laser light emitted from is condensed in a spot shape in each of eight regions arranged in one direction on the predetermined surface Hp (arrow X direction in the figure) by one condensing lens.

図20、21、22に示すマルチビーム走査光学系200は、同一平面Ha上に並べて配設された複数の合波半導体レーザ光源210a、210b、・・・(以後、まとめて合波半導体レーザ光源210ともいう)と、各合波半導体レーザ光源210a、210b、・・・から射出された各レーザ光La、Lb・・・(以後、まとめてレーザ光Lともいう)についての近視野像を非晶質半導体膜249上の領域である所定面Hp上に結像させる1つの集光レンズ230と、コリメートされた各レーザ光La、Lb、・・・が、集光レンズ230の入射瞳Irを通過してこの集光レンズ230に入射するように各レーザ光La、Lb・・・を偏光させる偏向光素子であるプリズム240a、240b、・・・(まとめてプリズム240ともいう)とを備えている。   20, 21, and 22, a multi-beam scanning optical system 200 includes a plurality of combined semiconductor laser light sources 210 a, 210 b,... (Hereinafter collectively referred to as combined semiconductor laser light sources arranged on the same plane Ha. 210), a near-field image of each laser beam La, Lb... Emitted from each of the combined semiconductor laser light sources 210a, 210b,. One condenser lens 230 that forms an image on a predetermined surface Hp, which is an area on the crystalline semiconductor film 249, and each of the collimated laser beams La, Lb,... Prisms 240a, 240b,..., Which are polarization optical elements that polarize the laser beams La, Lb,... So as to pass through and enter the condenser lens 230 (collectively referred to as prisms 240). It is equipped with a door.

上記非晶質半導体膜249は、この非晶質半導体膜249中の結晶状態の違い(場所による結晶状態の違い)に応じてレーザ光Lの照射を受けたときの上記レーザ光Lから吸収するエネルギの吸収率が変動するものである。   The amorphous semiconductor film 249 absorbs the laser light L when irradiated with the laser light L according to the difference in crystal state (difference in crystal state depending on the location) in the amorphous semiconductor film 249. The energy absorption rate fluctuates.

上記マルチビーム走査光学系200は、レーザ光Lを非晶質半導体膜249上の領域である上記所定面Hpへ走査させるときに、非晶質半導体膜249で吸収されるレーザ光Lのエネルギがこの非晶質半導体膜249上の場所によらず一定となるように、レーザ光Lの光強度または走査速度を調節する吸収エネルギ調節手段である後述の空間変調素子245および後述の動的偏向手段を制御する走査速度制御部255を備えている。なお、上記空間変調素子245はレーザ光Lの光強度を調節するものであり、速度制御部255はレーザ光Lの走査速度を調節するものである。   When the multi-beam scanning optical system 200 scans the laser light L onto the predetermined surface Hp, which is a region on the amorphous semiconductor film 249, the energy of the laser light L absorbed by the amorphous semiconductor film 249 is increased. A spatial modulation element 245 described later, which is an absorption energy adjusting means for adjusting the light intensity or scanning speed of the laser light L so as to be constant regardless of the location on the amorphous semiconductor film 249, and a dynamic deflection means described later. A scanning speed control unit 255 is provided for controlling the above. The spatial modulation element 245 adjusts the light intensity of the laser light L, and the speed control unit 255 adjusts the scanning speed of the laser light L.

上記動的偏向手段としては、所定面Hp上における8つの各レーザ光La、Lb、・・・の集光点であるスポット状の8つの結像点Pa、Pb・・・(以後、まとめて結像点Pともいう)を走査させるガルバノメータ250を採用することができ、上記走査速度制御部255はこのガルバノメータ250の走査速度を制御するものである。   As the dynamic deflection means, eight spot-shaped image forming points Pa, Pb, which are condensing points of the eight laser beams La, Lb,... On the predetermined surface Hp (hereinafter collectively). A galvanometer 250 that scans the imaging point P) can be employed, and the scanning speed control unit 255 controls the scanning speed of the galvanometer 250.

上記空間変調素子245は、レーザ光Lの光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子である。なお、吸収エネルギ調節手段としては、レーザ光Lの波長を合波させる波長合波素子246等を採用してもよい。   The spatial modulation element 245 is a spatial modulation element having a complex amplitude distribution of an inverse Fourier transform profile arranged in the optical path of the laser light L. As the absorption energy adjusting means, a wavelength multiplexing element 246 that multiplexes the wavelengths of the laser light L may be employed.

ここで、上記合波半導体レーザ光源210aから射出されるレーザ光Laは、互に光軸が平行で異なる光路を通る2つのコリメートされたレーザ光からなるものである。他の合波半導体レーザ光源210b、210c・・・から射出されるレーザ光Lb、Lc・・・のそれぞれも、互に光軸が平行で異なる光路を通る2つのコリメートされたレーザ光からなるものである。また、合波半導体レーザ光源210a、210b・・・から射出される各レーザ光La、Lb・・・も互に光軸が平行となるように調節されている。   Here, the laser beam La emitted from the combined semiconductor laser light source 210a is composed of two collimated laser beams having mutually parallel optical axes and passing through different optical paths. Each of the laser beams Lb, Lc,... Emitted from the other combined semiconductor laser light sources 210b, 210c,... Is composed of two collimated laser beams having mutually parallel optical axes and passing through different optical paths. It is. Also, the laser beams La, Lb,... Emitted from the combined semiconductor laser light sources 210a, 210b,... Are adjusted so that their optical axes are parallel to each other.

なお、上記偏向光素子の代わりに回折光学素子等を採用することができる。   A diffractive optical element or the like can be employed instead of the deflecting light element.

また、上記偏向光素子であるプリズム240は、個別の部材で構成されたものとしたり、アレイ状に一体化されたものとすることができる。   Further, the prism 240 which is the deflecting light element can be constituted by an individual member or can be integrated in an array.

また、各プリズム240a、240b、・・・は、各レーザ光La、Lb、・・・が集光レンズ230の後側焦点fbの近傍を通るように各レーザ光La、Lb、・・・の光路を偏向させる。上記各レーザ光Lを集光レンズ230の後側焦点fbに通すことにより各レーザ光Lを所定面Hp上の各領域に正確に結像させることができる。しかしながら、必ずしも各レーザ光La、Lb、・・・が上記後側焦点fbを通らなくても、各レーザ光Lを上記集光レンズ230の入射瞳Irに通せば、実質的に各レーザ光Lを所定面Hp上に結像させることができる。   Further, each of the prisms 240a, 240b,... Of each laser light La, Lb,... So that each laser light La, Lb,. Deflection of the optical path. By passing each laser beam L through the rear focal point fb of the condenser lens 230, each laser beam L can be accurately imaged in each region on the predetermined plane Hp. However, even if each laser beam La, Lb,... Does not necessarily pass through the rear focal point fb, if each laser beam L passes through the entrance pupil Ir of the condenser lens 230, each laser beam L substantially Can be imaged on the predetermined plane Hp.

なお、上記集光レンズ230は像側テレセントリックな結像光学系であるが、集光レンズ230としては必ずしも像側テレセントリックな結像光学系を採用する場合に限らない。   The condensing lens 230 is an image-side telecentric imaging optical system, but the condensing lens 230 is not necessarily limited to an image-side telecentric imaging optical system.

上記マルチビーム走査光学系200は、さらに、各レーザ光La、Lb、・・・それぞれの結像点Pa、Pb・・・(以後、まとめて結像点Pともいう)が所定面Hp上で並ぶ方向(図中矢印X方向)と交差する方向に、結像点Pa,Pb、・・・が移動するように、コリメートされた各レーザ光La、Lb、・・・を動的に偏向させる動的偏向手段であるガルバノメータ250を備えている。なお、上記動的偏向手段としてはポリゴンミラーを採用することもできる。   In the multi-beam scanning optical system 200, the respective laser beams La, Lb,..., The respective image formation points Pa, Pb (hereinafter collectively referred to as image formation points P) are also on the predetermined plane Hp. Each of the collimated laser beams La, Lb,... Is dynamically deflected so that the imaging points Pa, Pb,... Move in a direction intersecting with the direction in which they are arranged (the direction indicated by the arrow X in the figure). A galvanometer 250 which is a dynamic deflection means is provided. Note that a polygon mirror may be employed as the dynamic deflection unit.

なお、所定面Hp上に結像された各レーザ光La、Lb、・・・の結像点Pa、Pb・・・が所定面Hp上で走査される方向(図中矢印Z方向)に対して直交する方向(図中矢印X方向)と各レーザ光La、Lb、・・・のスロー軸の方向とを互に一致させることが望ましい。   It should be noted that the imaging points Pa, Pb,... Of the laser beams La, Lb,... Imaged on the predetermined surface Hp are scanned with respect to the direction (arrow Z direction in the figure) scanned on the predetermined surface Hp. It is desirable that the direction orthogonal to each other (the direction of the arrow X in the figure) and the direction of the slow axis of each laser beam La, Lb,.

上記ガルバノメータ250は、上記レーザ光Lを反射させるガルバノミラー251と、ガルバノミラー251を回動可能に支持する回転軸252と、上記回転軸252を回動させて上記ガルバノミラー251を往復回動させる駆動モータ253とを有している。   The galvanometer 250 includes a galvanometer mirror 251 that reflects the laser beam L, a rotary shaft 252 that rotatably supports the galvanometer mirror 251, and a rotary shaft 252 that rotates the galvanometer mirror 251. And a drive motor 253.

上記回転軸252の回転軸線252Jが、上記後側焦点fbおよび各レーザ光Lを反射させるガルバノミラー251の反射面Mhを通るように、上記ガルバノメータ250の位置が定められている。   The position of the galvanometer 250 is determined so that the rotation axis 252J of the rotation shaft 252 passes through the rear focal point fb and the reflection surface Mh of the galvanometer mirror 251 that reflects each laser beam L.

なお、マルチビーム走査光学系200は、上記複数の合波半導体レーザ光源210a、210b、・・・を冷却するための冷却部282を備えている。上記8個の合波半導体レーザ光源210a、210b、・・・は、上記冷却部282上にマウントされている。   The multi-beam scanning optical system 200 includes a cooling unit 282 for cooling the plurality of multiplexed semiconductor laser light sources 210a, 210b,. The eight multiplexed semiconductor laser light sources 210 a, 210 b,... Are mounted on the cooling unit 282.

上記冷却部282は、合波半導体レーザ光源210の側に上記平面Haと平行な冷却面282mを有している。この冷却面282mは、上記平面Haと平行であって上記合波半導体レーザ光源210の上記冷却部282の側の面である被冷却面282rに接触せしめられて、上記合波半導体レーザ光源210a、210b、・・・が冷却される。すなわち、各合波半導体レーザ光源210は冷却部282によって冷却される。   The cooling unit 282 has a cooling surface 282m parallel to the plane Ha on the side of the combined semiconductor laser light source 210. The cooling surface 282m is brought into contact with the surface to be cooled 282r that is parallel to the plane Ha and is on the cooling unit 282 side of the combined semiconductor laser light source 210, so that the combined semiconductor laser light source 210a, 210b,... Are cooled. That is, each combined semiconductor laser light source 210 is cooled by the cooling unit 282.

次に上記マルチビーム走査光学系200の作用について説明する。   Next, the operation of the multi-beam scanning optical system 200 will be described.

合波半導体レーザ光源210a、210b、・・・を駆動し、各合波半導体レーザ光源210から各レーザ光Lを所定の出力で射出させるとともに、冷却部282による各合波半導体レーザ光源210の冷却を開始する。   The combined semiconductor laser light sources 210a, 210b,... Are driven to emit each laser light L from each combined semiconductor laser light source 210 with a predetermined output, and the cooling unit 282 cools each combined semiconductor laser light source 210. To start.

合波半導体レーザ光源210はレーザ光Lの出力にともない発熱するが、冷却部282の冷却により上記合波半導体レーザ光源210の温度は所定の一定温度に保たれる。   The combined semiconductor laser light source 210 generates heat with the output of the laser light L, but the temperature of the combined semiconductor laser light source 210 is maintained at a predetermined constant temperature by the cooling of the cooling unit 282.

上記合波半導体レーザ光源210からコリメートされて射出された互に平行な各レーザ光Lは、プリズム240に入射する。各プリズム240は、上記入射した各レーザ光Lを、これらのレーザ光Lが集光レンズ230における入射瞳Irおよび後側焦点fbを通るように偏向させる。   The parallel laser beams L collimated and emitted from the combined semiconductor laser light source 210 are incident on the prism 240. Each prism 240 deflects each of the incident laser beams L so that the laser beams L pass through the entrance pupil Ir and the rear focal point fb in the condenser lens 230.

上記入射瞳Irおよび後側焦点fbに向かって伝播する各レーザ光Lは、上記入射瞳Irおよび後側焦点fbを通るとともに、ガルバノミラー251の反射面Mhで反射されて集光レンズ230に入射する。   Each laser light L propagating toward the entrance pupil Ir and the rear focal point fb passes through the entrance pupil Ir and the rear focal point fb, and is reflected by the reflecting surface Mh of the galvano mirror 251 and enters the condenser lens 230. To do.

上記集光レンズ230に入射した各レーザ光Lは、この集光レンズ230で集光され所定面Hp上に結像される。   Each laser beam L incident on the condenser lens 230 is condensed by the condenser lens 230 and imaged on the predetermined surface Hp.

上記所定面Hp上に結像された各レーザ光Lの結像点Pa、Pb・・・は、ガルバノミラー251の往復回動に応じて、各結像点Pa、Pb・・・が上記所定面Hp上すなわち非晶質半導体膜249上で並ぶ方向と交差する方向(図中矢印Z方向)に移動せしめられる。   The image forming points Pa, Pb... Of each laser beam L imaged on the predetermined surface Hp correspond to the image forming points Pa, Pb... According to the reciprocating rotation of the galvano mirror 251. It is moved in the direction intersecting the direction aligned on the surface Hp, that is, on the amorphous semiconductor film 249 (the arrow Z direction in the figure).

ここで、非晶質半導体膜249上に照射されるレーザ光の光強度は、上記空間変調素子245により静的に調節されるとともに、速度制御部255により動的に調節される。これにより、非晶質半導体膜249中の結晶状態の違いに応じたレーザ光のエネルギの吸収率の変動を相殺するように上記レーザ光Lを非晶質半導体膜上に照射することができ、この非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光Lのエネルギを上記非晶質半導体膜上のいずれの領域においても一定とすることができる。   Here, the light intensity of the laser light irradiated onto the amorphous semiconductor film 249 is adjusted statically by the spatial modulation element 245 and dynamically adjusted by the speed controller 255. Thereby, the laser beam L can be irradiated onto the amorphous semiconductor film so as to cancel the fluctuation of the absorption rate of the energy of the laser beam according to the difference in crystal state in the amorphous semiconductor film 249. The energy of the laser beam L absorbed by the amorphous semiconductor film can be made constant in any region on the amorphous semiconductor film.

なお、本発明のレーザ光照射装置は、必ずしも上記干渉性低減手段を備える場合に限らず、上記干渉性低減手段を備えなくても上記と同様の効果を得ることができる。   In addition, the laser beam irradiation apparatus of this invention is not necessarily provided with the said coherence reduction means, The effect similar to the above can be acquired, without providing the said coherence reduction means.

以下、上記マルチビーム走査光学系を適用可能なレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールについて図1から18を参照して説明する。   Hereinafter, a laser annealing apparatus to which the multi-beam scanning optical system can be applied and laser annealing performed using this apparatus will be described with reference to FIGS.

なお、上記レーザ光照射装置221あるはマルチビーム走査光学系200の構成要素と同等の構成要素には同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   Note that the same reference numerals are given to the same components as those of the laser beam irradiation apparatus 221 or the multi-beam scanning optical system 200, and detailed description thereof will be omitted.

ここで、上記レーザアニール装置を構成するための、後述する被アニール半導体膜を載置する基板ステージ110、レーザ光を出射するレーザヘッド120、およびレーザヘッド120から出射されたレーザ光を走査する走査光学系140のうちの、レーザヘッド120および走査光学系140からなる構成要素に対して上記マルチビーム走査光学系200を適用することができる。   Here, a substrate stage 110 on which a semiconductor film to be annealed to be described later, which constitutes the laser annealing apparatus, a laser head 120 that emits laser light, and scanning that scans the laser light emitted from the laser head 120 are scanned. Of the optical system 140, the multi-beam scanning optical system 200 can be applied to the components composed of the laser head 120 and the scanning optical system 140.

「レーザアニール方法」
従来より、非結晶シリコン(a−Si)と多結晶シリコン(poly−Si)とは、レーザ光の波長に対するエネルギの吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、従来は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン(poly−Si)であり、これらのレーザ光に対するエネルギの吸収特性に違いがあるとは考えられていなかった。
"Laser annealing method"
Conventionally, it has been known that amorphous silicon (a-Si) and polycrystalline silicon (poly-Si) have different energy absorption characteristics with respect to the wavelength of laser light. Conventionally, however, granular crystalline silicon and lateral crystalline silicon are both polycrystalline silicon (poly-Si), and it has not been considered that there is a difference in energy absorption characteristics with respect to these laser beams.

本発明者は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとについて、レーザ光の波長に対する吸収特性について評価を実施し、これらの吸収特性に差があることを見出した。そして、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しないレーザ光の照射条件が存在することを見出した。本発明者は、かかるレーザ光の照射条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分のみを選択的に融解させて、これらをラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることができることを見出した。以下、本発明者が行った評価について説明する。   The present inventor evaluated the absorption characteristics of granular crystalline silicon and lateral crystalline silicon with respect to the wavelength of the laser beam, and found that there is a difference between these absorption characteristics. And it discovered that the irradiation conditions of the laser beam which a granular crystal part and an amorphous part melt | dissolve, and a lateral crystal part does not melt | dissolve exist. By performing laser annealing under such laser light irradiation conditions, the present inventors do not remelt the lateral crystal once generated, and select only the granular crystal part and the amorphous part without changing the crystallinity. It has been found that these materials can be melted and laterally crystallized to form lateral crystals of substantially the entire surface. Hereinafter, the evaluation performed by the present inventor will be described.

GaN系半導体レーザ(発振波長405nm)を用い、非結晶シリコン(a−Si)膜に対して細長い矩形状のレーザ光Lを相対走査しながら連続照射して、レーザアニールを行った。基板平面をxy平面とし、レーザ光の主相対走査方向をx方向、副相対走査方向をy方向とする。   Laser annealing was performed by using a GaN-based semiconductor laser (oscillation wavelength: 405 nm) and continuously irradiating an amorphous silicon (a-Si) film with an elongated rectangular laser beam L while relatively scanning. The substrate plane is the xy plane, the main relative scanning direction of the laser light is the x direction, and the sub relative scanning direction is the y direction.

図1(a)に示すように、あるy位置でレーザ光Lのx方向相対走査を1回実施すると、レーザ光Lの主相対走査方向xに延びる横方向成長のラテラル結晶が生成し、ラテラル結晶の生成領域の外側に、結晶粒の小さい粒状結晶(粒状poly−Si)が生成される。この1回だけのレーザ光Lの相対走査後には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。   As shown in FIG. 1A, when the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed once at a certain y position, a laterally grown lateral crystal extending in the main relative scanning direction x of the laser beam L is generated. A granular crystal having small crystal grains (granular poly-Si) is generated outside the crystal generation region. After the relative scanning of the laser beam L only once, granular crystals are generated on both sides of the lateral crystal growth region extending in a band shape.

ここでは、レーザ光Lが直接照射される領域内の端部に、粒状結晶が生成された場合について、図示してある。レーザアニール条件によっては、レーザ光Lが直接照射される領域内の端部、及び/又はレーザ光Lは直接照射されないが熱が伝導する領域(=レーザ光Lが直接照射される領域のすぐ外側の領域)に、粒状結晶が生成される。   Here, a case where a granular crystal is generated at an end portion in a region directly irradiated with the laser beam L is illustrated. Depending on the laser annealing conditions, an end portion in the region directly irradiated with the laser beam L and / or a region where the laser beam L is not directly irradiated but heat is conducted (= immediately outside the region directly irradiated with the laser beam L). In this region, granular crystals are generated.

なお、本明細書において、レーザ光の相対走査を実施してラテラル結晶を成長させる場合、あるy位置でレーザ光Lのx方向相対走査を1回実施したときにアニールされる領域を、「1回のレーザアニールのアニール領域」と言う。   In this specification, when a lateral crystal is grown by performing relative scanning of laser light, a region annealed when the relative scanning in the x direction of laser light L is performed once at a certain y position is referred to as “1. "Annealing region of the first laser annealing".

膜全面を処理するために、図1(b)に示すように、y位置を変えてレーザ光Lのx方向相対走査を繰り返し実施する。y位置を変えてレーザ光Lのx方向相対走査を実施する際には、y位置を変える前にラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを実施する。このとき、先に生成されたラテラル結晶に重ねてレーザ光Lを照射してもよい。   In order to process the entire surface of the film, as shown in FIG. 1B, the y position is changed and the relative scanning in the x direction of the laser light L is repeatedly performed. When the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed while changing the y position, at least a part of the granular crystal generated outside the lateral crystal before the change of the y position and the non-crystallized non-crystallized portion remain. Laser annealing is performed on a region including at least part of the crystal. At this time, the laser beam L may be irradiated so as to overlap the previously generated lateral crystal.

図示するように、y位置を変えてレーザ光Lのx方向相対走査を実施する際(アニール領域を変える際)には、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光Lが照射された領域と次にレーザ光Lが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。   As shown in the figure, when the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed by changing the y position (when the annealing region is changed), the region to which the laser beam L is first irradiated on the semiconductor film to be annealed. It is preferable to carry out laser annealing so that the region to which the laser beam L is next irradiated partially overlaps.

図1(a)中、被アニール半導体膜に符号20を付し、基板ステージに符号110を付し、レーザヘッドに符号120を付してある。図1(a)は、あるy位置でレーザ光Lのx方向相対走査を1回実施している途中の図である。ここでは、視認しやすくするため、膜に対してレーザヘッドの大きさを大きく図示してある。   In FIG. 1A, reference numeral 20 is assigned to the semiconductor film to be annealed, reference numeral 110 is assigned to the substrate stage, and reference numeral 120 is assigned to the laser head. FIG. 1A is a diagram in the middle of performing the x-direction relative scanning of the laser light L once at a certain y position. Here, in order to facilitate visual recognition, the size of the laser head is shown larger than the film.

図1(b)はy位置を変えてレーザ光Lのx方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図である。図中、レーザ光Lが照射された領域のうち特にハッチングを付けていない領域がラテラル結晶の生成領域である。   FIG. 1B is an image plan view of crystallization when the x-direction relative scanning of the laser beam L is repeatedly performed while changing the y position. In the figure, a region not particularly hatched among regions irradiated with the laser beam L is a lateral crystal generation region.

ラテラル結晶部分(ラテラルpoly−Si)、粒状結晶部分(粒状poly−Si)、及び非結晶部分(a−Si)について各々、測定光の波長を変えて、エリプソメータにて複素屈折率n+ik(kは消衰係数であり、ikは虚数部を示す。)を測定した。各結晶状態における波長と屈折率nとの関係を図2に示す。また、下記式に基づいて、各結晶状態における波長と吸収係数αとの関係を求めた。結果を図3に示す。いずれの結晶状態においても、400nm付近で吸収係数が大きく低下する傾向にあることが明らかとなった。
吸収係数α=k/4πλ
(式中、kは消衰係数、λは波長である。)
For each of the lateral crystal portion (lateral poly-Si), the granular crystal portion (granular poly-Si), and the amorphous portion (a-Si), the wavelength of the measurement light is changed, and the complex refractive index n + ik (k is k) It is an extinction coefficient, and ik represents an imaginary part.). FIG. 2 shows the relationship between the wavelength and the refractive index n in each crystal state. Moreover, the relationship between the wavelength in each crystal state and the absorption coefficient α was determined based on the following formula. The results are shown in FIG. In any crystal state, it has been clarified that the absorption coefficient tends to greatly decrease around 400 nm.
Absorption coefficient α = k / 4πλ
(In the formula, k is an extinction coefficient and λ is a wavelength.)

次に、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、各波長におけるシリコン膜の吸収率を求めた。   Next, the absorption rate of the silicon film at each wavelength was determined for lateral crystalline silicon, granular crystalline silicon, and amorphous silicon.

レーザヘッドからの出射エネルギーは、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる損失、及び膜表面でのフレネル反射による損失によって減衰して、膜に吸収される。膜に吸収される光エネルギーは下記式で表される。
(膜に吸収される光エネルギー)=(膜に照射される光エネルギー)×(表面反射せずに膜に入射する光量の割合)×(膜に吸収される光量の割合)
The energy emitted from the laser head is attenuated by the loss generated during transmission through various optical systems incorporated in the laser annealing apparatus and the loss due to Fresnel reflection on the film surface, and is absorbed by the film. The light energy absorbed by the film is expressed by the following formula.
(Light energy absorbed by the film) = (Light energy irradiated on the film) × (Ratio of the amount of light incident on the film without surface reflection) × (Ratio of the amount of light absorbed by the film)

上記式中の(表面反射せずに膜に入射する光量の割合)×(膜に吸収される光量の割合)が吸収率である。吸収率は、膜に照射されたレーザ光の光量に対して膜に吸収される光量の割合であり、吸収率=a×bで表される。   In the above formula, (ratio of the amount of light incident on the film without surface reflection) × (ratio of the amount of light absorbed by the film) is the absorption rate. The absorptance is the ratio of the amount of light absorbed by the film to the amount of laser light applied to the film, and is expressed as absorptance = a × b.

上記式中、aは膜に吸収される光量の割合であり、下記式から求められる。膜厚tは、レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンTFTを形成する場合に一般的な50nmとした。
a=exp−αt
(式中、αは吸収係数、tは膜厚)
In the above formula, a is the ratio of the amount of light absorbed by the film, and is obtained from the following formula. The film thickness t was set to 50 nm, which is common when crystallization is performed by laser annealing to form a polysilicon TFT.
a = exp −αt
(Where α is the absorption coefficient and t is the film thickness)

上記式中、bは表面反射せずに膜に入射する光量の割合であり、下記式から求められる。bはレーザヘッドから出射されたレーザ光の光量からフレネル反射による膜表面での損失分を差し引いて求められる量である。
b=1−((1−n)/(1+n))
(式中、nは屈折率である。)
In the above formula, b is the ratio of the amount of light incident on the film without being reflected from the surface, and is obtained from the following formula. b is an amount obtained by subtracting the loss on the film surface due to Fresnel reflection from the amount of laser light emitted from the laser head.
b = 1-((1-n) / (1 + n)) 2
(In the formula, n is a refractive index.)

さらに、各波長において、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比(=粒状poly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)、及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比(=ラテラルpoly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)を求めた。これらの吸収率比は、非結晶シリコンの吸収率を1としたときの、粒状結晶シリコンの相対吸収率及びラテラル結晶シリコンの相対吸収率である。結果を図4に示す。   Further, at each wavelength, the ratio of the absorption ratio of granular crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon (= absorption ratio of granular poly-Si / a-Si absorption ratio), and the ratio of lateral crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon. Absorptivity ratio (= absorption rate of lateral poly-Si / absorption rate of a-Si) was determined. These absorptance ratios are the relative absorptance of granular crystalline silicon and the lateral absorptive silicon when the absorptivity of amorphous silicon is 1. The results are shown in FIG.

粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン(poly−Si)であるが、図4には、レーザ光の波長に対するこれらのレーザ光の吸収特性が大きく異なることが示されている。   Both granular crystalline silicon and lateral crystalline silicon are polycrystalline silicon (poly-Si), but FIG. 4 shows that the absorption characteristics of these laser beams differ greatly with respect to the wavelength of the laser beams.

図2〜図4に示すように、粒径の小さい粒状結晶シリコン(粒状poly−Si)は、非結晶シリコン(a−Si)とラテラル結晶シリコン(ラテラルpoly−Si)との中間的な特性を示すことが明らかとなった。このように、ラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンとを分けて、吸収特性を評価した例は、過去には見当たらない。   As shown in FIGS. 2 to 4, granular crystalline silicon (granular poly-Si) having a small particle size exhibits intermediate characteristics between amorphous silicon (a-Si) and lateral crystalline silicon (lateral poly-Si). It became clear to show. In this way, no example has been found in the past in which absorption characteristics are evaluated by dividing lateral crystalline silicon and granular crystalline silicon.

図4に示すように、350nm未満の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの吸収特性に大きな差はなく、いずれも、非結晶シリコンの吸収率の0.7〜0.9倍程度の高い吸収率を示すことが明らかとなった。これに対して、350nm以上の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも、長波長になるにつれて非結晶シリコンに対する吸収率比が低下する傾向にあるが、ラテラル結晶シリコンの方が、非結晶シリコンに対する吸収率比の低下のレベルがより大きく、しかもその低下がより短波長側で起こることが明らかとなった。350〜650nmの波長域では、非結晶シリコンに対する粒状結晶シリコンの吸収率比と、非結晶シリコンに対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との差が大きくなっている。   As shown in FIG. 4, in the wavelength region of less than 350 nm, there is no significant difference in absorption characteristics between granular crystalline silicon and lateral crystalline silicon, both of which are about 0.7 to 0.9 times the absorption rate of amorphous silicon. It became clear that the high absorption rate was shown. On the other hand, in the wavelength region of 350 nm or more, both the granular crystalline silicon and the lateral crystalline silicon tend to decrease in the absorption ratio with respect to the amorphous silicon as the wavelength becomes longer. It has been clarified that the level of decrease in the absorptance ratio with respect to amorphous silicon is larger and that the decrease occurs on the shorter wavelength side. In the wavelength range of 350 to 650 nm, the difference between the absorption ratio of granular crystalline silicon to amorphous silicon and the absorption ratio of lateral crystalline silicon to amorphous silicon is large.

図4は非結晶シリコン(a−Si)の吸収率を基準とした相対的な吸収率比を示すものであるが、図3に示すように、絶対的な吸収率の値で見れば、500nm以上の波長域においては、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンのすべての吸収率が著しく小さくなる。したがって、ラテラル結晶シリコンの吸収率と粒状結晶シリコンの吸収率との差が大きく、かつ、粒状結晶シリコン及び非結晶シリコンの吸収率がある程度高い範囲内で、用いるレーザ光の波長を決定することが好ましい。   FIG. 4 shows a relative absorptance ratio based on the absorptivity of amorphous silicon (a-Si). As shown in FIG. 3, the absolute absorptance is 500 nm. In the above wavelength range, all the absorptances of lateral crystalline silicon, granular crystalline silicon, and amorphous silicon are remarkably reduced. Therefore, the wavelength of the laser beam to be used can be determined within a range where the difference between the absorption rate of the lateral crystalline silicon and the absorption rate of the granular crystalline silicon is large and the absorption rate of the granular crystalline silicon and the amorphous silicon is somewhat high. preferable.

すなわち、膜厚t=50nmの条件では、350〜500nm、好ましくは350〜450nmの波長域にあるレーザ光を用いることで、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないレーザアニールを実施することができる。   That is, under the condition of film thickness t = 50 nm, by using a laser beam in the wavelength region of 350 to 500 nm, preferably 350 to 450 nm, the granular crystal part and the amorphous part can be melted and laterally crystallized. In addition, laser annealing that does not melt the lateral crystal portion that has already been generated can be performed.

現在レーザアニールに一般に使用されているエキシマレーザ光は波長300nm以下の紫外レーザ光であるので、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とはいずれも吸収率が高く、吸収特性に大きな差はない。   The excimer laser beam that is currently used for laser annealing is an ultraviolet laser beam with a wavelength of 300 nm or less. Therefore, the lateral crystal part, the granular crystal part, and the amorphous part all have high absorptance, and there is a large difference in absorption characteristics. Absent.

また、「背景技術」の項で挙げた特許文献1〜5で用いられている可視レーザ光は、固体レーザの第2高調波等の500〜550nmの波長域のレーザ光である。かかる波長域では、図4ではラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差があるように見えるが、図3に示すように、非結晶部分の吸収率自体が小さいため、実際にはラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差はない。   Further, the visible laser light used in Patent Documents 1 to 5 mentioned in the section “Background Art” is a laser light having a wavelength region of 500 to 550 nm such as the second harmonic of a solid-state laser. In such a wavelength region, it seems that there is a large difference in the absorption characteristics between the lateral crystal part and the granular crystal part in FIG. 4, but as shown in FIG. There is no significant difference in absorption characteristics between the lateral crystal part and the granular crystal part.

すなわち、従来は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差のない300nm以下の波長域、あるいは500〜550nmの波長域のレーザ光が用いられていた。そして、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分とはいずれも多結晶シリコンであるから、吸収特性に大きな差はないと考えられていた。本発明者は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差が現れる波長域が存在することをはじめて明らかにした。   That is, conventionally, a laser beam having a wavelength region of 300 nm or less, or a wavelength region of 500 to 550 nm, which does not have a large difference in absorption characteristics between the lateral crystal portion and the granular crystal portion, has been used. And since both the lateral crystal part and the granular crystal part are polycrystalline silicon, it was thought that there was no big difference in absorption characteristics. The inventor has clarified for the first time that there exists a wavelength region in which a large difference appears in the absorption characteristics between the lateral crystal portion and the granular crystal portion.

特開2004-64066号公報には、GaN系半導体レーザ(波長350〜450nm)を用いたレーザアニール装置が開示されている。照射条件としては、走査速度3000mm/s、非結晶シリコン膜面上における光パワー密度600mJ/cmが挙げられている(段落0127)。しかしながら、この文献では、結晶状態と吸収率の関係などについては、検討されていない。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-64066 discloses a laser annealing apparatus using a GaN-based semiconductor laser (wavelength: 350 to 450 nm). Examples of irradiation conditions include a scanning speed of 3000 mm / s and an optical power density of 600 mJ / cm 2 on the surface of the amorphous silicon film (paragraph 0127). However, this document does not discuss the relationship between the crystalline state and the absorption rate.

単結晶シリコン(c−Si)の融点は約1400℃であり、非結晶シリコン(a−Si)の融点は約1200℃である。したがって、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させるには、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約1400℃以上であることが好ましい。   The melting point of single crystal silicon (c-Si) is about 1400 ° C., and the melting point of amorphous silicon (a-Si) is about 1200 ° C. Therefore, in order to melt the granular crystal part and the amorphous part, it is preferable that the surface temperature of the laser light in the granular crystal part and the amorphous part is about 1400 ° C. or higher.

本発明者が、GaN系半導体レーザ(発振波長405nm)を用い、非結晶シリコン膜に対して、レーザ光の相対走査速度0.01m/s以上の条件で、レーザヘッドからの出射光量を変えてレーザアニールを行い、レーザビームの中央部分において実際にラテラル結晶が成長するのか否かをSEM及びTEMにより観察し、ラテラル結晶成長に必要なレーザ光の表面到達温度を求めたところ、約1700℃であった。また、実際の実験から、レーザ光の表面到達温度が約2200℃以上では、アブレーションにより膜の部分的な剥離が生じる場合があることが分かった。すなわち、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約1700〜2200℃であることが好ましい。レーザ光の表面到達温度は、レーザ光が照射されたときの瞬間的な膜表面温度である。   The inventor uses a GaN-based semiconductor laser (oscillation wavelength of 405 nm) and changes the amount of light emitted from the laser head on an amorphous silicon film under the condition that the relative scanning speed of the laser light is 0.01 m / s or more. Laser annealing was performed, and SEM and TEM were used to observe whether or not a lateral crystal actually grew in the central portion of the laser beam, and the surface temperature of the laser beam necessary for the lateral crystal growth was determined. there were. Moreover, it has been found from actual experiments that when the surface temperature of the laser beam reaches about 2200 ° C. or higher, partial peeling of the film may occur due to ablation. That is, in order to laterally crystallize the granular crystal part and the non-crystal part, it is preferable that the surface temperature of the laser beam in these parts is about 1700 to 2200 ° C. The surface temperature of the laser beam is an instantaneous film surface temperature when the laser beam is irradiated.

表面到達温度は、シリコン膜に入射する光量(この光量は、レーザヘッドからの出射光量から、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる光量損失、及び膜表面におけるフレネル反射による光量損失を差し引いて求められる。)、及びシリコン膜の吸収率から、理論的に求められる。   The temperature reached by the surface is the amount of light incident on the silicon film (this amount of light is caused by the loss of the amount of light generated while passing through various optical systems incorporated in the laser annealing apparatus from the amount of light emitted from the laser head, and by Fresnel reflection on the film surface). It is calculated theoretically from the absorption rate of the silicon film.

レーザ光の表面到達温度を所望の温度とするのに、必要な照射エネルギーは下記式で概念的に表される。なお、各エネルギーは、時間変化及び温度変化するため、単純には表記できないが、ここでは概念的に示してある。式中、融解エネルギーE2は、融点にて必要なエネルギーである。
(照射エネルギーE1)=(融解エネルギーE2)+(所望の温度に上昇させるために必要なエネルギーE3)+(放熱エネルギーE4)
The irradiation energy required to bring the surface temperature of the laser light to a desired temperature is conceptually expressed by the following equation. Since each energy changes with time and temperature, it cannot be simply expressed, but is shown here conceptually. In the formula, the melting energy E2 is energy required at the melting point.
(Irradiation energy E1) = (Melting energy E2) + (Energy E3 required for raising to a desired temperature) + (Heat dissipation energy E4)

参考のために、1μm×1μm×50nmの直方体を加熱したときの断熱モデルでの計算例を示す。ここでは、所望の温度が1400℃の条件で計算してある。   For reference, an example of calculation in an adiabatic model when a rectangular parallelepiped of 1 μm × 1 μm × 50 nm is heated is shown. Here, the calculation is performed under the condition that the desired temperature is 1400 ° C.

1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiを融解させるために必要な融解エネルギーE2は、以下のように算出される。
E2=(単位融解エネルギー)×(1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiのモル数)=46×103×((2.32 g/cm3)×(10-6×10-6×50×10-9 m3)/28)=1.9×10-10 J
The melting energy E2 necessary for melting Si contained in a volume of 1 μm × 1 μm × 50 nm is calculated as follows.
E2 = (unit melting energy) × (number of moles of Si contained in a volume of 1 μm × 1 μm × 50 nm) = 46 × 10 3 × ((2.32 g / cm 3 ) × (10 −6 × 10 −6 × 50 × 10 -9 m 3 ) / 28) = 1.9 × 10 -10 J

1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiを所望の温度(この計算例では1400℃=融点)に上昇させるために必要なエネルギーE3は、以下のように算出される。
E3=(比熱)×(1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiの質量)×(所望の温度)=770J/kg K×(2.32g/cm3×(10-6×10-6×50×10-9 m3))×1400℃=1.3×10-10 J
The energy E3 required to raise Si contained in a volume of 1 μm × 1 μm × 50 nm to a desired temperature (1400 ° C. = melting point in this calculation example) is calculated as follows.
E3 = (specific heat) × (mass of Si contained in a volume of 1 μm × 1 μm × 50 nm) × (desired temperature) = 770 J / kg K × (2.32 g / cm 3 × (10 −6 × 10 −6 × 50 × 10 -9 m 3 )) × 1400 ℃ = 1.3 × 10 -10 J

レーザ光の表面到達温度が2200℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度との関係を図5に示す。非結晶シリコンは約1200℃以上で融解するが、この図では、ラテラル結晶及び粒状結晶が融解しない表面到達温度約1400℃以下の領域を「非融解」として図示してある。また、ラテラル結晶が成長するレーザ光の表面到達温度約1700〜2200℃の領域、及びアブレーションにより膜の部分的な剥離が生じるレーザ光の表面到達温度約2200℃以上の領域を図示してある。   FIG. 5 shows the relationship between the energy ratio to the absorbed light energy at which the laser beam surface temperature reaches 2200 ° C. and the laser beam surface temperature. Amorphous silicon melts at about 1200 ° C. or higher, but in this figure, a region having a surface temperature of about 1400 ° C. or lower at which the lateral and granular crystals do not melt is illustrated as “non-melted”. Further, a region where the laser beam reaches a surface temperature of about 1700 to 2200 ° C. where the lateral crystal grows and a region where the laser beam reaches a surface temperature of about 2200 ° C. or more where partial film peeling occurs due to ablation are shown.

被アニール半導体膜20に均一な光エネルギー分布の光を照射しても、結晶状態によって吸収される光エネルギー量は変化するので、各結晶状態におけるレーザ光の表面到達温度が変化する。図5には、レーザ光の表面到達温度が2200℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比が0.82以上の条件でラテラル結晶成長が可能であり、同エネルギー比が0.70以下の条件では粒状結晶が融解しないことが示されている。   Even when the semiconductor film 20 to be annealed is irradiated with light having a uniform light energy distribution, the amount of light energy absorbed varies depending on the crystal state, so that the surface temperature of the laser light in each crystal state changes. FIG. 5 shows that lateral crystal growth is possible under the condition that the energy ratio to the absorbed light energy at which the surface temperature of the laser light reaches 2200 ° C. is 0.82 or more, and granularity is obtained under the condition where the energy ratio is 0.70 or less. It has been shown that the crystals do not melt.

粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないためには、粒状結晶部分及び非結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約1700〜2200℃となる吸収光エネルギーを与え、ラテラル結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約1400℃以下となる吸収光エネルギーを与えればよい。   In order to melt the granular crystal part and the non-crystalline part and laterally crystallize them, and not to melt the already produced lateral crystal part, the surface temperature of the laser beam for the granular crystal part and the non-crystalline part is low. Absorbed light energy that is about 1700 to 2200 ° C. is applied, and for the lateral crystal portion, absorbed light energy that causes the surface temperature of the laser light to be about 1400 ° C. or lower may be applied.

ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件でレーザ光を照射する場合には、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比(=粒状poly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.82以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比(=ラテラルpoly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.70以下となる波長を選択することで、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に吸収されるエネルギー比を、0.70以下:0.82〜1.0:1.0とすることができる。   When laser light is irradiated to the lateral crystal part, the granular crystal part, and the amorphous part under the same irradiation conditions, the ratio of the absorption ratio of the granular crystal silicon to the absorption ratio of the amorphous silicon (= particulate poly-Si) Absorption rate / absorption rate of a-Si) is 0.82 or more, and the ratio of absorption rate of lateral crystalline silicon to that of amorphous silicon (= absorption rate of lateral poly-Si / absorption rate of a-Si) is By selecting a wavelength that is 0.70 or less, the energy ratio absorbed by the lateral crystal part, the granular crystal part, and the amorphous part is 0.70 or less: 0.82 to 1.0: 1.0 can do.

すなわち、被アニール半導体膜20が非結晶シリコン膜である場合、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式(1)及び(2)の関係を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
That is, when the semiconductor film 20 to be annealed is an amorphous silicon film, the absorption rate of laser light in the lateral crystal part, the granular crystal part, and the amorphous part satisfies the relationship of the following formulas (1) and (2). It is preferable to perform laser annealing under conditions.
0.82 ≦ absorptivity of granular crystal part / absorptivity of amorphous part ≦ 1.0 (1),
Absorption rate of the lateral crystal portion / absorption rate of the non-crystalline portion ≦ 0.70 (2)

粒状結晶部分及び非結晶部分がラテラル結晶化し、ラテラル結晶が融解しないレーザアニールを安定的に実施するには、下記式(1A)及び(2)を充足する条件で、レーザアニールを実施することがより好ましい。
0.85≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1A)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
In order to stably perform laser annealing in which the granular crystal portion and the non-crystalline portion are laterally crystallized and the lateral crystal is not melted, laser annealing is performed under conditions satisfying the following expressions (1A) and (2). More preferred.
0.85 ≦ absorptivity of granular crystal part / absorptivity of amorphous part ≦ 1.0 (1A),
Absorption rate of the lateral crystal portion / absorption rate of the non-crystalline portion ≦ 0.70 (2)

図4には、吸収率比=0.7及び吸収率比=0.82のラインを記載してある。非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比(=粒状poly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.82以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比(=ラテラルpoly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.70以下となる波長は、シリコン膜の膜厚t=50nmの条件では、360〜450nmの波長である。   FIG. 4 shows lines with an absorptance ratio = 0.7 and an absorptance ratio = 0.82. The ratio of the absorption ratio of granular crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon (= absorption ratio of granular poly-Si / absorption ratio of a-Si) is 0.82 or more. The wavelength at which the absorptance ratio (= lateral poly-Si absorptivity / a-Si absorptivity) is 0.70 or less is a wavelength of 360 to 450 nm under the condition that the thickness t of the silicon film is 50 nm.

レーザ光の吸収率は、シリコン膜の膜厚tによって変化する。膜厚t(nm)=50,100,200としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比(=ラテラルpoly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)との関係を求めた。結果を図6に示す。   The absorption rate of the laser light varies depending on the film thickness t of the silicon film. When the film thickness t (nm) is 50, 100, 200, the ratio of the absorption ratio of the lateral crystalline silicon to the absorption ratio of the laser light and the amorphous silicon (= absorption ratio of lateral poly-Si / a-Si) (Absorption rate). The results are shown in FIG.

図6には、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比(=ラテラルpoly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.7以下となる波長は、膜厚によって変わることが示されている。同様に、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比(=粒状poly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.82以上となる波長も、膜厚によって変わる(図示略)。   In FIG. 6, the wavelength at which the ratio of the absorption ratio of lateral crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon (= absorption ratio of lateral poly-Si / absorption ratio of a-Si) is 0.7 or less varies depending on the film thickness. It has been shown. Similarly, the wavelength at which the ratio of the absorption ratio of granular crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon (= absorption ratio of granular poly-Si / absorption ratio of a-Si) is 0.82 or more also varies depending on the film thickness (illustration (Omitted).

レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンTFTを形成する場合、膜厚t(nm)>120では、TFTの素子形成が難しくなると共にリーク電流も多くなり、膜厚t(nm)<40では、活性層の膜厚が薄くなりすぎて素子の信頼性が低下する。したがって、TFT用では40≦膜厚t(nm)≦120nm(式(4))が好ましい。レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンTFTを形成する場合の非結晶シリコン膜の膜厚tは50nm程度が最も一般的である。   When a polysilicon TFT is formed by crystallization by laser annealing, when the film thickness is t (nm)> 120, it is difficult to form a TFT element and the leakage current increases. When the film thickness is t (nm) <40, The active layer becomes too thin and the reliability of the device is lowered. Therefore, for TFTs, 40 ≦ film thickness t (nm) ≦ 120 nm (formula (4)) is preferable. In the case of forming a polysilicon TFT by performing crystallization by laser annealing, the film thickness t of the amorphous silicon film is most commonly about 50 nm.

図7に、膜厚tに対して、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約1700〜2200℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約1400℃以下となるレーザ光の波長の範囲を示す。   FIG. 7 shows the wavelength of the laser beam at which the surface temperature of the granular crystal portion and the non-crystalline portion is about 1700 to 2200 ° C. and the surface temperature of the lateral crystal portion is about 1400 ° C. or less with respect to the film thickness t. Indicates the range.

非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比(=ラテラルpoly−Siの吸収率/a−Siの吸収率)が0.7以下となる波長は膜厚によって変わるが、膜厚t(nm)とレーザ光の波長λ(nm)とが下記式(3)を充足する条件で、レーザアニールを実施すればよい。
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3)
The wavelength at which the ratio of the absorption ratio of lateral crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon (= absorption ratio of lateral poly-Si / absorption ratio of a-Si) is 0.7 or less varies depending on the film thickness, but the film thickness t ( nm) and the laser light wavelength λ (nm) satisfy the following formula (3).
0.8t + 320 ≦ λ ≦ 0.8t + 400 (3)

40≦膜厚t(nm)≦120であれば、350〜500nm、好ましくは350〜490nmの波長域にあるレーザ光を用いることで、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないレーザアニールを実施することができる。   If 40 ≦ film thickness t (nm) ≦ 120, the laser beam in the wavelength region of 350 to 500 nm, preferably 350 to 490 nm is used to melt the granular crystal portion and the non-crystalline portion and laterally crystallize. It is possible to perform laser annealing that does not melt the lateral crystal portion that has already been produced.

粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約1700〜2200℃であることが必要であることを述べた。本発明者が上記表面到達温度の範囲内で条件を変えてレーザアニールを行ったところ、粒状結晶部分では、上記範囲内でも比較的低い表面到達温度条件において、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向(例えばレーザ光の主相対走査方向に対して5〜45°の角度方向)にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成することがあった。TFTの素子特性のばらつきを抑制するには、膜の略全面でラテラル結晶方向が概ね揃っていることが好ましい。   It has been described that in order to laterally crystallize the granular crystal part and the non-crystal part, it is necessary that the surface temperature of the laser beam in these parts be about 1700 to 2200 ° C. When the present inventor performed laser annealing while changing the conditions within the range of the surface temperature, the granular crystal had a laser beam with the granular crystals serving as nuclei at a relatively low surface temperature condition even within the above range. The lateral crystal tends to grow in a non-parallel direction with respect to the main relative scanning direction (for example, an angle direction of 5 to 45 ° with respect to the main relative scanning direction of the laser beam) and is aligned with the main relative scanning direction simultaneously. Since a lateral crystal is about to grow, a curved lateral crystal may be formed. In order to suppress variations in device characteristics of TFTs, it is preferable that the lateral crystal directions are substantially aligned over substantially the entire surface of the film.

本発明者は、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約2000±200℃となる条件でレーザアニールを行うことで、粒状結晶が瞬間的に融解して、粒状結晶を核とするラテラル結晶成長が抑制されて、膜の略全面でラテラル結晶方向を揃えることができることを見出した。本発明者は、かかる条件でレーザアニールを行うことにより、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を5°以下に揃えることができることを見出している。   The present inventor performs laser annealing under the condition that the surface temperature of the laser beam in the granular crystal part and the non-crystalline part is about 2000 ± 200 ° C., so that the granular crystal is instantaneously melted and the granular crystal is nucleated. It has been found that lateral crystal growth is suppressed and the lateral crystal direction can be aligned over almost the entire surface of the film. The present inventor has found that by performing laser annealing under such conditions, the angle between the main relative scanning direction of the laser light and the lateral crystal growth direction can be made equal to or less than 5 ° over substantially the entire surface of the film.

図8に、レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約2000±200℃となる吸収パワー密度の範囲を示す。この図に示されるように、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度P(MW/cm)とレーザ光の相対走査速度v(m/s)とが下記式(5)を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
0.44v0.34143≦P≦0.56v0.34143・・・(5)
FIG. 8 shows an absorption power density range in which the surface temperature at the amorphous portion is about 2000 ± 200 ° C. with respect to the relative scanning speed of the laser beam. As shown in this figure, the laser beam absorption power density P (MW / cm 2 ) and the laser beam relative scanning speed v (m / s) in the non-crystalline portion satisfy the following formula (5). It is preferable to perform laser annealing.
0.44v 0.34143 ≦ P ≦ 0.56v 0.34143 (5)

従来、SOIの分野における研究において、1cm/s以下のSiの結晶成長速度が下記式で表されることが報告されている。
V=V0×exp(−Ea/kT)
(式中、Vはa−SiからPoly−Siへの固相成長速度(cm/s)である。kはボルツマン定数である。Tはアニール温度(K)である。V0は係数であり、V0=2.3〜3.1×10 cm/sである。Eaは活性化エネルギー(=c−Si中での空孔形成エネルギーに等しい)であり、Ea=2.68〜2.71eVである。)
Conventionally, in research in the field of SOI, it has been reported that the crystal growth rate of Si of 1 cm / s or less is expressed by the following formula.
V = V0 × exp (−Ea / kT)
(Where V is the solid phase growth rate (cm / s) from a-Si to Poly-Si, k is the Boltzmann constant, T is the annealing temperature (K), V0 is a coefficient, V0 = 2.3-3.1 × 10 8 cm / s Ea is the activation energy (= equal to the vacancy formation energy in c-Si), Ea = 2.68-2.71 eV .)

本発明者は、上記レーザアニールにおけるラテラル結晶成長速度も、上記関係式で表されることを確認している。先に述べたように、非結晶部分におけるアニール温度は約2200℃が上限であるので、ラテラル結晶成長速度の上限は8m/sとなる。   The present inventor has confirmed that the lateral crystal growth rate in the laser annealing is also expressed by the above relational expression. As described above, since the upper limit of the annealing temperature in the non-crystalline portion is about 2200 ° C., the upper limit of the lateral crystal growth rate is 8 m / s.

ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件でレーザ光を照射する場合、
非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比が0.82以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比が0.70以下となる波長を選択し、
粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約1700〜2200℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約1400℃以下となるようにレーザアニールを行ったときの、
非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図を図9に示す。
When irradiating a laser beam under the same irradiation condition to a lateral crystal part, a granular crystal part, and an amorphous part,
Select a wavelength at which the absorptivity ratio of granular crystalline silicon to absorptivity of amorphous silicon is 0.82 or more, and the absorptivity ratio of lateral crystalline silicon to absorptivity of amorphous silicon is 0.70 or less,
When the laser annealing is performed so that the surface temperature of the granular crystal part and the non-crystalline part is about 1700 to 2200 ° C., and the surface temperature of the lateral crystal part is about 1400 ° C. or less,
FIG. 9 shows an image diagram of the absorptivity distribution, the irradiation light intensity distribution of the laser light on the film surface, the absorption energy distribution of the laser light, and the temperature distribution in the non-crystalline part, the granular crystal part, and the lateral crystal part.

この図では、レーザ光の表面到達温度ではなく、膜の温度分布を示してある。また、この図には、レーザアニールを実施している際中の、被アニール半導体膜の表面と、該表面におけるレーザビーム位置及びレーザビームの相対走査方向とを図示してある。   In this figure, the temperature distribution of the film is shown instead of the surface temperature of the laser beam. This figure also shows the surface of the semiconductor film to be annealed during laser annealing, the laser beam position on the surface and the relative scanning direction of the laser beam.

非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、膜面のレーザ光の照射光強度分布は均一であるが、各々の吸収率が異なっているので、各部分におけるレーザ光の吸収エネルギーが異なっている。そして、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解する温度になるが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解しない温度に抑えられている。   The irradiation intensity distribution of the laser light on the film surface is uniform in the non-crystalline part, granular crystal part, and lateral crystal part, but the absorption energy of each part is different, so the absorption energy of the laser light in each part is different. ing. The granular crystal part and the non-crystal part are at a melting temperature, but the lateral crystal part once generated is suppressed to a temperature at which it does not re-melt even when irradiated with laser light.

図1(a)に示したように、あるy位置でレーザ光Lのx方向相対走査を1回だけ実施した場合、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。従来の方法では、y位置をずらして2回目のレーザ光Lのx方向相対走査を実施する際にも、1回目と同様に、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。   As shown in FIG. 1A, when the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed only once at a certain y position, granular crystals are generated on both sides of a lateral crystal growth region extending in a band shape. The In the conventional method, when the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed for the second time by shifting the y position, granular crystals are formed on both sides of the lateral crystal growth region extending in a band shape, as in the first time. Is generated.

しかしながら、上記方法では、ラテラル結晶部分に重ねてレーザ光を照射しても、ラテラル結晶部分が再融解せず、該部分の温度が粒状結晶の生成温度に満たないので、図9に示すように、y位置をずらして2回目のレーザ光Lのx方向相対走査を実施する際には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域の片側だけ、非結晶シリコン側にのみ、粒状結晶が生成されることになる。すなわち、上記方法では、2回目のレーザアニールによって、1回目に帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に生成された粒状結晶のうち、片方の側に生成された粒状結晶をラテラル結晶化させることができ、しかも先にレーザアニールを実施した側には、2回目のレーザアニールによって、不要な粒状結晶が新たに生成することがない。y位置を変えて、同様の操作を繰り返し行うことによって、略全面をつなぎ目なくラテラル結晶化することができる。   However, in the above method, even if the lateral crystal portion is irradiated with the laser beam, the lateral crystal portion is not remelted, and the temperature of the portion is less than the formation temperature of the granular crystal, as shown in FIG. When the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed for the second time by shifting the y position, granular crystals are generated only on one side of the lateral crystal growth region extending in a band shape and only on the amorphous silicon side. become. That is, in the above method, the granular crystal generated on one side is laterally crystallized out of the granular crystals generated on both sides across the region of the lateral crystal growth extending in the first band by the second laser annealing. Moreover, unnecessary granular crystals are not newly generated by the second laser annealing on the side where the laser annealing has been performed first. By repeating the same operation while changing the y position, it is possible to crystallize almost the entire surface without a joint.

以上説明したように、上記方法では、略全面ラテラル結晶膜が得られる。「ラテラル結晶膜」とは、横方向(=レーザ光を相対走査する場合は、その相対走査方向)に延びる帯状の結晶粒で構成される多結晶膜であり、この多結晶膜は実効的にほぼ単結晶膜(擬似単結晶膜)と見なすことができる。本発明者は、レーザ光の相対走査方向の長さが5μm程度以上であり、幅が0.2〜2μmである結晶粒からなる略全面ラテラル結晶膜を実現している(後記実施例1のSEM・TEM表面写真(図14)を参照)。   As described above, in the above method, a substantially entire lateral crystal film can be obtained. A “lateral crystal film” is a polycrystalline film composed of band-like crystal grains extending in the lateral direction (= the relative scanning direction when laser light is relatively scanned). It can be regarded as a substantially single crystal film (pseudo single crystal film). The present inventor has realized a substantially entire lateral crystal film made of crystal grains having a length in the relative scanning direction of the laser beam of about 5 μm or more and a width of 0.2 to 2 μm (see Example 1 described later). SEM / TEM surface photograph (see FIG. 14)).

上記評価は被アニール半導体膜20がシリコン膜の場合の評価であるが、被アニール半導体膜20の構成材料に関係なく、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しないレーザ光の照射条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることが可能である。   The above evaluation is an evaluation when the semiconductor film 20 to be annealed is a silicon film. However, regardless of the constituent material of the semiconductor film 20 to be annealed, the crystalline crystal part and the amorphous part melt and the lateral crystal part does not melt. By performing laser annealing under light irradiation conditions, the once generated lateral crystal is not remelted, and the crystalline and granular portions can be laterally crystallized without changing its crystallinity. It is possible to form a full lateral crystal.

すなわち、上記レーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施することを特徴とするものである。
That is, in the laser annealing method, a region of an annealed semiconductor film made of an amorphous semiconductor is subjected to laser annealing to irradiate a laser beam under conditions where a lateral crystal grows, thereby growing a lateral crystal.
Further, the annealing region is shifted, and laser annealing is performed again on the region including at least a part of the granular crystal generated outside the lateral crystal and at least a part of the non-crystallized remaining uncrystallized. In the laser annealing method in which the operation of lateral crystallization of the portion is performed one or more times,
Laser annealing is performed under the condition that the granular crystal portion and the amorphous portion of the semiconductor film to be annealed are melted and the lateral crystal portion of the semiconductor film to be annealed is not melted.

被アニール半導体膜の構成材料は特に制限なく、シリコン、ゲルマニウム、及びシリコン/ゲルマニウム等が挙げられる。   The constituent material of the semiconductor film to be annealed is not particularly limited, and examples thereof include silicon, germanium, and silicon / germanium.

上記レーザアニール方法において、図1(b)に示したように、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。   In the laser annealing method, as shown in FIG. 1B, the region irradiated with laser light first and the region irradiated with laser light partially overlap the semiconductor film to be annealed. Thus, it is preferable to perform laser annealing.

レーザ光の照射領域の部分的な重ね方については特に制限されない。後からレーザ光を照射される領域が、先のレーザ光照射により形成された粒状結晶部分を100%カバーしていれば、粒状結晶部分が全てラテラル結晶化され、先の照射で形成されたラテラル結晶領域との間に粒状結晶領域なく、次のラテラル結晶領域を形成することができる。   There is no particular limitation on how the laser light irradiation regions are partially overlapped. If the region irradiated with the laser beam later covers 100% of the granular crystal portion formed by the previous laser beam irradiation, the granular crystal portion is all laterally crystallized, and the lateral crystal formed by the previous irradiation The next lateral crystal region can be formed without a granular crystal region between the crystal regions.

被アニール半導体膜の用途によっては、ラテラル結晶領域間に粒状結晶領域が残っていてもよい場合がある。その場合でも、後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりが1%以上あれば粒状結晶領域が部分的にラテラル結晶化されるので、ラテラル結晶領域を広くすることができる。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合が大きくなる程、ラテラル結晶領域が広くなり、好ましい。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合は、50%以上が好ましい。   Depending on the application of the semiconductor film to be annealed, a granular crystal region may remain between the lateral crystal regions. Even in such a case, if the overlap between the region to which the laser light is irradiated later and the granular crystal region is 1% or more, the granular crystal region is partially laterally crystallized, so that the lateral crystal region can be widened. It is preferable that the lateral crystal region becomes wider as the rate of overlap between the region irradiated with the laser beam later and the granular crystal region increases. The overlapping ratio between the region to be irradiated with the laser beam later and the granular crystal region is preferably 50% or more.

レーザアニール条件によっては、レーザ光が直接照射される領域内の端部、及び/又はレーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域(=レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域)に、粒状結晶が生成される。   Depending on the laser annealing conditions, the edge within the region directly irradiated with the laser beam and / or the region that is not directly irradiated with the laser beam but conducts heat (= the region immediately outside the region directly irradiated with the laser beam). In addition, granular crystals are produced.

1回目のx方向の相対走査では、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域(=レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域)に粒状結晶が生成し、y位置を変えた次のx方向の相対走査で粒状結晶に対してレーザ光を直接照射するような場合には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重ならなくても、粒状結晶をラテラル結晶化させることができる。ただし、粒状結晶の生成領域とレーザ光の照射位置との位置ずれを考慮すれば、被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらしてレーザアニールを再度実施する際には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。   In the first relative scan in the x direction, granular crystals are generated in the region where the laser beam is not directly irradiated but heat is conducted (= the region immediately outside the region directly irradiated with the laser beam), and the y position is changed. When the laser beam is directly irradiated to the granular crystal in the next relative scanning in the x direction, the region irradiated with the laser beam first and the region irradiated with the laser beam partially overlap each other. Even if not, the granular crystal can be laterally crystallized. However, considering the positional deviation between the generation region of the granular crystal and the irradiation position of the laser beam, when laser annealing is performed again with the annealing region shifted with respect to the semiconductor film to be annealed, the laser beam is first emitted. Laser annealing is preferably performed so that the irradiated region and the region irradiated with the laser beam partially overlap each other.

上記レーザアニール方法において、レーザ光として連続発振レーザ光を用いることが好ましい。パルスレーザ光では、レーザヘッド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。連続発振レーザ光を用いる場合には、レーザヘッドをオンにしている間は常に被アニール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、より粒径の大きいラテラル結晶を成長させることができ、好ましい。上記レーザアニールを実施する際に用いて好適な波長域を考慮すれば、レーザ光として半導体レーザ光を用いることが好ましい。   In the laser annealing method, it is preferable to use a continuous wave laser beam as the laser beam. In the case of pulse laser light, time during which the laser light is not irradiated periodically even while the laser head is turned on. When continuous wave laser light is used, the laser light is continuously irradiated onto the semiconductor film to be annealed while the laser head is turned on. Large lateral crystals can be grown, which is preferable. In consideration of a wavelength range suitable for use in performing the laser annealing, it is preferable to use a semiconductor laser beam as the laser beam.

被アニール半導体膜に対してレーザ光を相対走査する場合について説明したが、上記方法は、レーザ光を相対走査しなくても、ラテラル結晶が成長する条件でレーザアニールを行う場合に適用可能である。   Although the case where the laser light is relatively scanned with respect to the semiconductor film to be annealed has been described, the above method can be applied to the case where laser annealing is performed under the condition that the lateral crystal grows without performing the relative scanning with the laser light. .

例えば、はじめにある領域に対して矩形状にレーザ光を照射し、同じ領域に対して照射中心線は変えずに一方向の照射幅を小さくしながら、レーザ光を複数回繰り返し照射することで、はじめにレーザ光を照射した領域の外側から温度が冷えていき、照射中心線と外側との間に温度勾配が発生して照射中心線から外側に延びるラテラル結晶を成長させることができる。このとき、ラテラル結晶の生成領域の外側に粒状結晶が生成されることは、相対走査によりラテラル結晶を成長させる場合と同様である。この場合には、同じ領域に対して上記条件でレーザ光が複数回照射されてアニールされる領域が、1回のレーザアニールのアニール領域になる。ただし、かかる方法では、1つのアニール領域に対して、フォトマスク等を用いて照射面積を変えて複数回レーザ光を照射する必要があるので、連続的な膜処理ができず非効率的であり、略全面を均一に処理することも難しい。   For example, by irradiating a laser beam in a rectangular shape to a certain region first, and repeatedly irradiating the laser beam multiple times while reducing the irradiation width in one direction without changing the irradiation center line, First, the temperature is cooled from the outside of the region irradiated with the laser beam, and a temperature gradient is generated between the irradiation center line and the outside, so that a lateral crystal extending outward from the irradiation center line can be grown. At this time, the generation of the granular crystal outside the lateral crystal generation region is the same as in the case where the lateral crystal is grown by relative scanning. In this case, the region that is annealed by irradiating the same region with the laser beam a plurality of times under the above conditions becomes the annealing region for one laser annealing. However, this method is inefficient because it is necessary to irradiate a laser beam a plurality of times by changing the irradiation area using a photomask or the like to one annealing region. It is also difficult to treat almost the entire surface uniformly.

したがって、上記レーザアニール方法において、被アニール半導体膜に対して、レーザ光を部分的に照射しつつレーザ光を相対走査して、レーザアニールを実施することが好ましい。かかる構成では、レーザ光の相対走査方向に結晶が成長するので、ラテラル結晶を連続的に成長させることができ、膜面全体を効率よく処理することができる。また、膜面全体を連続的に緻密に処理できるので、均一性に優れた略全面ラテラル結晶膜が得られる。   Therefore, in the laser annealing method, it is preferable to perform laser annealing by relatively scanning the laser light while partially irradiating the semiconductor film to be annealed with the laser light. In such a configuration, since the crystal grows in the relative scanning direction of the laser beam, the lateral crystal can be continuously grown, and the entire film surface can be processed efficiently. In addition, since the entire film surface can be processed continuously and densely, a substantially whole surface lateral crystal film excellent in uniformity can be obtained.

上記レーザアニール方法を用いることにより、結晶性及び均一性が高く、薄膜トランジスタ(TFT)の活性層等として好適な半導体膜を低コストに製造することができる。この半導体膜を用いることにより、素子特性(キャリア移動度等)や素子均一性に優れたTFT等の半導体装置を製造することができる。   By using the laser annealing method, a semiconductor film having high crystallinity and uniformity and suitable as an active layer of a thin film transistor (TFT) can be manufactured at low cost. By using this semiconductor film, a semiconductor device such as a TFT having excellent element characteristics (carrier mobility, etc.) and element uniformity can be manufactured.

このレーザアニール方法では、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜を製造できるので、TFT等の半導体装置の形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とTFT等の半導体装置の素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはTFT等の半導体装置の素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が不要であり、素子特性(キャリア移動度等)及び素子均一性に優れたTFT等の半導体装置を低コストに安定的に製造することができる。かかるTFT等の半導体装置を備えた電気光学装置は、表示品質等の性能に優れたものとなる。   In this laser annealing method, a lateral crystal film having almost no granular crystal portion and almost no joint can be manufactured on almost the entire surface. Therefore, based on design information of a formation position of a semiconductor device such as a TFT, the beam end portion of the laser beam It is not necessary to devise devices such as scanning the laser beam so that the element formation region of the semiconductor device such as TFT does not overlap or selectively irradiating only the element formation region of the semiconductor device such as TFT. A semiconductor device such as a TFT having excellent characteristics (carrier mobility and the like) and element uniformity can be stably manufactured at low cost. An electro-optical device provided with such a semiconductor device such as a TFT has excellent performance such as display quality.

「レーザアニール装置」
図面を参照して、上記レーザアニール方法に係る実施形態のレーザアニール装置の構成について、説明する。図10はレーザアニール装置の全体構成図、図11は1個の合波半導体レーザ光源121の内部構成を示す図である。
"Laser annealing equipment"
With reference to the drawings, the configuration of the laser annealing apparatus of the embodiment according to the laser annealing method will be described. FIG. 10 is a diagram showing the overall configuration of the laser annealing apparatus, and FIG. 11 is a diagram showing the internal configuration of one combined semiconductor laser light source 121.

本実施形態のレーザアニール装置100は、非結晶シリコン膜等の被アニール半導体膜20を載置する基板ステージ110と、レーザ光Lを出射するレーザヘッド120と、レーザヘッド120からの出射レーザ光Lを走査する走査光学系140とを備えている。   The laser annealing apparatus 100 of this embodiment includes a substrate stage 110 on which a semiconductor film 20 to be annealed such as an amorphous silicon film is placed, a laser head 120 that emits laser light L, and an emitted laser light L from the laser head 120. And a scanning optical system 140 for scanning.

本実施形態では、レーザヘッド120から出射されたレーザ光Lは、走査光学系140により図示x方向(主相対走査方向)に走査されるようになっている。また、基板ステージ110がステージ移動手段(図示略)により図示y方向に移動可能とされており、これにより、レーザ光Lが図示y方向(副相対走査方向)に相対走査されるようになっている。本実施形態では、基板ステージ110及び走査光学系140により、レーザ光Lを被アニール半導体膜20に対して相対走査する相対走査手段が構成されている。   In the present embodiment, the laser light L emitted from the laser head 120 is scanned in the x direction (main relative scanning direction) by the scanning optical system 140. Further, the substrate stage 110 is movable in the y direction in the figure by a stage moving means (not shown), so that the laser light L is relatively scanned in the y direction (sub-relative scanning direction) in the figure. Yes. In this embodiment, the substrate stage 110 and the scanning optical system 140 constitute a relative scanning unit that relatively scans the laser light L with respect to the semiconductor film 20 to be annealed.

レーザヘッド120は、水冷ヒートシンク131上に隙間なく配置された複数の合波半導体レーザ光源121により概略構成されている。   The laser head 120 is schematically configured by a plurality of combined semiconductor laser light sources 121 arranged on the water-cooled heat sink 131 without any gap.

ここで、上述したように、レーザヘッド120および走査光学系140からなる構成要素に対して上記マルチビーム走査光学系200を適用することができる。図11に示す如く、個々の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(ブロードエリア半導体レーザ、図示略)がそれぞれ内蔵され気密封止された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を各々コリーメートする、LDパッケージ123と同数のコリーメートレンズ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。   Here, as described above, the multi-beam scanning optical system 200 can be applied to the components including the laser head 120 and the scanning optical system 140. As shown in FIG. 11, each multi-wavelength semiconductor laser light source 121 includes one multi-transverse mode semiconductor laser LD (broad area semiconductor laser, not shown) having a continuous wave output as a laser light oscillation source. The four LD packages 123 (123A to 123D) that are tightly sealed and the same number of collimating lenses 124 (124A) as the LD packages 123 that collimate the laser beams L1 to L4 emitted from the four LD packages 123, respectively. ˜124D) is incorporated.

合波半導体レーザ光源121それぞれにはさらに、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が入射する偏光ビームスプリッタ126Aと、反射ミラー125C,125Dにより反射されたレーザ光L3,L4が入射する偏光ビームスプリッタ126Bとが備えられている。   Each of the combined semiconductor laser light sources 121 further includes the same number of reflecting mirrors 125 (125A to 125D) as the LD package 123 that reflects the laser beams L1 to L4, and the laser beams L1 and L2 reflected by the reflecting mirrors 125A and 125B. Is provided, and a polarizing beam splitter 126B on which the laser beams L3 and L4 reflected by the reflecting mirrors 125C and 125D enter is provided.

偏光ビームスプリッタ(以下、PBSとする)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PBSであり、PBS126B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。   Each of the polarization beam splitters (hereinafter referred to as PBS) 126A and 126B is a cube-shaped PBS in which two right-angle prisms are bonded, and the polarization direction of the laser beams L3 and L4 is set on the light incident surface of the PBS 126B. A half-wave phase difference element 127 that is shifted by 90 ° is attached.

PBS126AがたとえばP波成分を反射する場合は、PBS126Aに入射したレーザ光L1,L2は各々、光出力検出用にS波成分がPBS126Aを透過してフォトダイオード129A,129Bに入射し、P波成分がPBS126A内で反射されてPBS126Bに入射するようになっている。レーザ光L1、L2の偏光の向きを調整することにより、P波成分とS波成分の割合を変えることができるので、この場合はP波成分が多くなる向きに調整することにより、より多くの光を有効に使うことができる。   For example, when the PBS 126A reflects a P-wave component, the laser beams L1 and L2 incident on the PBS 126A pass through the PBS 126A and enter the photodiodes 129A and 129B for detecting the optical output, respectively. Is reflected in the PBS 126A and enters the PBS 126B. Since the ratio of the P wave component and the S wave component can be changed by adjusting the direction of polarization of the laser beams L1 and L2, in this case, by adjusting the direction in which the P wave component increases, more Light can be used effectively.

PBS126Bを、PBS126Aとは反対の成分を反射する(あるいは透過する)特性のものとすることにより、すなわち、この場合はS波を反射するものとすることにより、PBS126Aによって反射されたP波はそのまま透過させることができる。一方、レーザ光L3,L4は各々、1/2波長位相差素子127により偏光方向を90°ずらしてからPBS126Bに入射させることにより、今度はS波成分の多い偏光の向きとなるので、従ってS波を反射するPBS126Bにおいては、光出力検出用に光量の割合の少ないP波成分がPBS126Bを透過してフォトダイオード129C,129Dに入射し、光量の割合の多いS波が反射される。   By making the PBS 126B have the property of reflecting (or transmitting) the component opposite to that of the PBS 126A, that is, in this case, reflecting the S wave, the P wave reflected by the PBS 126A is left as it is. Can be transmitted. On the other hand, the laser beams L3 and L4 are each shifted in polarization direction by 90 ° by the ½ wavelength phase difference element 127 and then made incident on the PBS 126B. In the PBS 126B that reflects the wave, a P-wave component with a small amount of light for light output detection passes through the PBS 126B and enters the photodiodes 129C and 129D, and an S-wave with a large amount of light is reflected.

従って、合波半導体レーザ光源121では、PBS126B内で、偏光成分の異なるレーザ光L1とレーザ光L3、及び、レーザ光L2とレーザ光L4とがファスト軸方向に偏光合波され、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している。   Therefore, in the combined semiconductor laser light source 121, the laser light L1 and the laser light L3, and the laser light L2 and the laser light L4 having different polarization components are polarized and combined in the fast axis direction in the PBS 126B, and further combined. The combined laser beams L1 and L3 and the polarized laser beams L2 and L4 are angularly combined in the slow axis direction.

半導体レーザLDは比較的光出力が小さく、単独では高速走査アニールするために必要な光パワー密度が得られないので、レーザヘッド120は、複数のLDパッケージ123を備えた合波半導体レーザ光源121を複数(ここでは8個)備える構成としている。個々の合波半導体レーザ光源121において、複数のLDパッケージ123からの出射光を角度合波のみで合波すると、焦点深度が浅くなり、焦点ずれによる光強度ばらつきが大きくなる恐れがある。マルチ横モードの半導体レーザLDでは、ファスト軸方向の放射角度40〜60°であり、スロー軸方向の放射角度15〜25°である。本実施形態では、複数のLDパッケージ123から出射されたレーザ光L1〜L4を、ファスト軸方向に偏光合波し、スロー軸方向に角度合波する構成とすることで、焦点ずれによる光強度ばらつきを抑制し、必要な光パワー密度を得ている。   Since the laser output of the semiconductor laser LD is relatively small, and the optical power density necessary for high-speed scanning annealing cannot be obtained by itself, the laser head 120 uses the combined semiconductor laser light source 121 including a plurality of LD packages 123. It is set as the structure provided with multiple (here 8 pieces). In each combined semiconductor laser light source 121, when the emitted light from the plurality of LD packages 123 is combined only by the angle combination, the depth of focus becomes shallow, and there is a fear that the light intensity variation due to the defocus is increased. In the multi-lateral mode semiconductor laser LD, the radiation angle in the fast axis direction is 40 to 60 °, and the radiation angle in the slow axis direction is 15 to 25 °. In the present embodiment, the laser beams L1 to L4 emitted from the plurality of LD packages 123 are polarized and multiplexed in the fast axis direction and angularly multiplexed in the slow axis direction. The required optical power density is obtained.

合波半導体レーザ光源121では、コリーメートレンズ124、反射ミラー125、ビームスプリッタ126A,126B、1/2波長板127,及び1/2波長位相差素子128A,B等により、4個のLDパッケージ123からのレーザ光L1〜L4をまとめて射出する光学系が構成されている。   In the combined semiconductor laser light source 121, four LD packages 123 are formed by a collimate lens 124, a reflection mirror 125, beam splitters 126 </ b> A and 126 </ b> B, a half-wave plate 127, and half-wave phase difference elements 128 </ b> A and B. The optical system which inject | emits the laser beams L1-L4 from these collectively is comprised.

図10に示す如く、複数の合波半導体レーザ光源121を備えたレーザヘッド120の光出射面には、複数の合波半導体レーザ光源121の形成位置に合わせて偏向角度を設定した複数のプリズム132aからなるプリズムアレイ(偏向素子)132が取り付けられている。   As shown in FIG. 10, a plurality of prisms 132 a whose deflection angles are set on the light emitting surface of a laser head 120 including a plurality of combined semiconductor laser light sources 121 in accordance with the formation positions of the plurality of combined semiconductor laser light sources 121. A prism array (deflection element) 132 is attached.

走査光学系140は、ガルバノミラー等の光走査ミラー(動的偏向素子)141と各レーザ光を集光させる集光レンズ142とから構成されている。   The scanning optical system 140 includes an optical scanning mirror (dynamic deflection element) 141 such as a galvano mirror and a condensing lens 142 that condenses each laser beam.

レーザヘッド120に搭載された複数の合波半導体レーザ光源121から出射されたレーザ光Lは、上記吸収エネルギ調節手段である空間変調素子133を通りプリズムアレイ132によって偏向されて、光走査ミラー141に入射して、図10中の矢印x方向に走査される。   Laser light L emitted from a plurality of combined semiconductor laser light sources 121 mounted on the laser head 120 passes through the spatial modulation element 133 serving as the absorption energy adjusting means and is deflected by the prism array 132 to be applied to the optical scanning mirror 141. Incident light is scanned in the direction of arrow x in FIG.

レンズ142は、光走査ミラー141による光走査に合わせて走査されるようになっており、光走査ミラー141により偏向されたレーザ光Lがレンズ142に入射して互いの光軸が平行となる。   The lens 142 is scanned in accordance with the optical scanning by the optical scanning mirror 141, and the laser light L deflected by the optical scanning mirror 141 enters the lens 142 and the optical axes thereof become parallel to each other.

本実施形態では、上記構成により、図10中の矢印y方向を長手方向とする細長いレーザビームが形成され、このレーザビームが被アニール半導体膜20に照射されつつ走査される。本発明者は例えば、被アニール半導体膜20の膜面における照射光パワー密度が0.5〜2.7W/cmである、20μm×4μm〜40μm×8μmの形状のレーザビームを実現した。 In the present embodiment, an elongated laser beam having a longitudinal direction in the direction of the arrow y in FIG. 10 is formed by the above configuration, and scanning is performed while the semiconductor film 20 is irradiated with this laser beam. For example, the present inventor has realized a laser beam having a shape of 20 μm × 4 μm to 40 μm × 8 μm in which the irradiation light power density on the film surface of the semiconductor film 20 to be annealed is 0.5 to 2.7 W / cm 2 .

本実施形態のレーザアニール装置100において、レーザ光Lの照射条件は、被アニール半導体膜20の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜20のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されている。   In the laser annealing apparatus 100 of the present embodiment, the irradiation condition of the laser light L is such that the granular crystal portion and the amorphous portion of the semiconductor film 20 to be annealed melt and the lateral crystal portion of the semiconductor film 20 to be annealed does not melt. Is set.

被アニール半導体膜20が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Lの照射条件は、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式(1)及び(2)の関係を充足する条件に設定されていることが好ましい。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
When the semiconductor film 20 to be annealed is an amorphous silicon film, the laser light L is irradiated under the following formulas (1) and (2): the laser light absorptance in the lateral crystal part, the granular crystal part, and the amorphous part. ) Is preferably set to satisfy the condition.
0.82 ≦ absorptivity of granular crystal part / absorptivity of amorphous part ≦ 1.0 (1),
Absorption rate of the lateral crystal portion / absorption rate of the non-crystalline portion ≦ 0.70 (2)

被アニール半導体膜20が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Lの照射条件は、被アニール半導体膜20の膜厚t(nm)とレーザ光Lの波長λ(nm)とが下記式(3)を充足する条件に設定されていることが好ましい。
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3)
When the semiconductor film 20 to be annealed is an amorphous silicon film, the irradiation condition of the laser light L is that the film thickness t (nm) of the semiconductor film 20 to be annealed and the wavelength λ (nm) of the laser light L are expressed by the following formula (3 ) Is preferably set to satisfy the condition.
0.8t + 320 ≦ λ ≦ 0.8t + 400 (3)

被アニール半導体膜20が非結晶シリコン膜である場合、レーザヘッド120に搭載された半導体レーザ(レーザ光発振源)LDは、発振波長が350〜500nmの波長域にある半導体レーザであることが好ましい。350〜500nmの波長域にあるレーザ光を発振するレーザとしては、GaN,AlGaN,InGaN,InAlGaN,InGaNAs,GaNAs等の含窒素半導体化合物を1種又は2種以上含む活性層を備えたGaN系半導体レーザ、及びZnO系やZnSe系等のII-VI族化合物系半導体レーザ等が挙げられる。   When the semiconductor film 20 to be annealed is an amorphous silicon film, the semiconductor laser (laser light oscillation source) LD mounted on the laser head 120 is preferably a semiconductor laser having an oscillation wavelength in the wavelength range of 350 to 500 nm. . As a laser that oscillates laser light in a wavelength region of 350 to 500 nm, a GaN-based semiconductor including an active layer containing one or more nitrogen-containing semiconductor compounds such as GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN, InGaNAs, and GANAS Examples thereof include lasers and II-VI group compound semiconductor lasers such as ZnO and ZnSe.

本実施形態のレーザアニール装置100において、被アニール半導体膜20が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Lの照射条件と相対走査条件とは、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度P(MW/cm)とレーザ光Lの相対走査速度v(m/s)とが下記式(5)を充足する条件に設定されていることが好ましい。
0.44v0.34143≦P≦0.56v0.34143・・・(5)
In the laser annealing apparatus 100 of the present embodiment, when the semiconductor film 20 to be annealed is an amorphous silicon film, the irradiation condition of the laser beam L and the relative scanning condition are the absorption power density P (MW) of the laser beam in the amorphous part. / cm 2 ) and the relative scanning speed v (m / s) of the laser beam L are preferably set to satisfy the following formula (5).
0.44v 0.34143 ≦ P ≦ 0.56v 0.34143 (5)

本実施形態のレーザアニール装置100は、被アニール半導体膜20に対して、y位置を変えてレーザ光Lのx方向相対走査を実施する際(アニール領域を変える際)には、先にレーザ光Lが照射された領域と次にレーザ光Lが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施するものであることが好ましい。   The laser annealing apparatus 100 according to the present embodiment first performs laser beam L scanning on the semiconductor film 20 to be annealed by changing the y position in the x direction (when changing the annealing region). Laser annealing is preferably performed so that the region irradiated with L and the region irradiated with laser beam L next overlap each other.

以上の構成の本実施形態のレーザアニール装置100を用いることで、上記の上記レーザニール方法を実施することができる。   By using the laser annealing apparatus 100 of the present embodiment having the above-described configuration, the above-described laser annealing method can be performed.

本実施形態のレーザアニール装置100は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。基板ステージ110の移動と走査光学系140による光走査とにより、被アニール半導体膜20に対するレーザ光Lの相対走査を実施する構成としたが、被アニール半導体膜20に対するレーザ光Lの相対走査は、レーザヘッド120の図示x方向及びy方向の機械的走査、基板ステージ110の図示x方向及びy方向の機械的走査、あるいはレーザ光Lの図示x方向及びy方向の光走査等によっても実施することができる。   The laser annealing apparatus 100 of the present embodiment is not limited to the above configuration, and the design can be changed as appropriate. The relative scanning of the laser light L with respect to the semiconductor film 20 to be annealed is performed by moving the substrate stage 110 and optical scanning with the scanning optical system 140. It can also be performed by mechanical scanning of the laser head 120 in the illustrated x and y directions, mechanical scanning of the substrate stage 110 in the illustrated x and y directions, or optical scanning of the laser light L in the illustrated x and y directions. Can do.

本実施形態で挙げたように、高出力が得られ、細長いレーザビーム形状が得られることから、レーザヘッド120は、マルチ横モードの半導体レーザLDを複数備えた合波半導体レーザ光源121を複数搭載したものであることが好ましい。個々の合波半導体レーザ光源121に搭載されるLD数が4個の場合について説明したが、その数は適宜設計できる。レーザヘッド120は、単数の合波半導体レーザ光源121のみを備えたものであってもよい。レーザヘッド120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。   As mentioned in this embodiment, since a high output is obtained and a long and narrow laser beam shape is obtained, the laser head 120 is equipped with a plurality of combined semiconductor laser light sources 121 each including a plurality of multi-lateral mode semiconductor lasers LD. It is preferable that Although the case where the number of LDs mounted on each combined semiconductor laser light source 121 is four has been described, the number can be designed as appropriate. The laser head 120 may include only a single combined semiconductor laser light source 121. The laser head 120 may include only a single semiconductor laser LD.

「半導体膜、半導体装置、アクティブマトリクス基板」
図面を参照して、上記レーザアニールに係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、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と構成について説明する。本実施形態では、トップゲート型の画素スイッチング用薄膜トランジスタ(画素スイッチング用TFT)と、これを備えたアクティブマトリクス基板を例として説明する。図12は、工程図(基板の厚み方向の断面図)である。
"Semiconductor films, semiconductor devices, active matrix substrates"
With reference to the drawings, a semiconductor film of the embodiment according to the laser annealing, a semiconductor device using the semiconductor film, and a manufacturing method and a configuration of an active matrix substrate including the semiconductor film will be described. In this embodiment, a top gate type pixel switching thin film transistor (pixel switching TFT) and an active matrix substrate including the same will be described as an example. FIG. 12 is a process diagram (cross-sectional view in the thickness direction of the substrate).

はじめに、図12(a)に示す如く、基板10を用意し、基板10の表面全体に、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜20を成膜する。ここでは、被アニール半導体膜20が非結晶シリコン(a−Si)膜である場合について図示してある。   First, as shown in FIG. 12A, a substrate 10 is prepared, and a semiconductor film 20 to be annealed made of an amorphous semiconductor is formed on the entire surface of the substrate 10. Here, the case where the semiconductor film 20 to be annealed is an amorphous silicon (a-Si) film is illustrated.

基板10としては特に制限なく、ガラス基板(石英ガラス基板、バリウムホウケイ酸ガラス基板、アルミノホウケイ酸ガラス基板等)、本実施形態のTFTプロセス及びTFTプロセスの後工程における熱処理に耐え得る耐熱性を有し、かつガラス同等以上の断熱性を有するプラスチック基板、シリコン基板、及び金属基板(ステンレス基板等)の表面に絶縁膜を形成してガラス同等以上の断熱性を付与した基板等が挙げられる。   The substrate 10 is not particularly limited, and has a heat resistance that can withstand heat treatment in a glass substrate (quartz glass substrate, barium borosilicate glass substrate, alumino borosilicate glass substrate, etc.), the TFT process of this embodiment, and a subsequent process of the TFT process. In addition, examples include a plastic substrate, a silicon substrate, and a metal substrate (stainless steel substrate or the like) having a heat insulating property equal to or higher than that of glass, and a substrate provided with a heat insulating property equal to or higher than that of glass.

被アニール半導体膜20は基板10上に直接形成するのではなく、基板10上に酸化シリコンや窒化シリコン等の下地膜(図示略)を成膜してから、その上に、被アニール半導体膜20を成膜してもよい。下地膜及び被アニール半導体膜20の成膜方法としては特に制限なく、プラズマCVD法、LPCVD法、及びスパッタ法等の気相成長法が挙げられる。   The semiconductor film 20 to be annealed is not directly formed on the substrate 10, but a base film (not shown) such as silicon oxide or silicon nitride is formed on the substrate 10, and then the semiconductor film 20 to be annealed is formed thereon. May be formed. The method for forming the base film and the semiconductor film 20 to be annealed is not particularly limited, and examples thereof include vapor phase growth methods such as a plasma CVD method, an LPCVD method, and a sputtering method.

下地膜の膜厚は特に制限なく、例えば200nm程度が好ましい。被アニール半導体膜20の膜厚は特に制限なく、40〜120nmが好ましい。被アニール半導体膜20の膜厚は、例えば50nm程度が好ましい。   The thickness of the base film is not particularly limited, and is preferably about 200 nm, for example. The thickness of the semiconductor film 20 to be annealed is not particularly limited and is preferably 40 to 120 nm. The film thickness of the semiconductor film 20 to be annealed is preferably about 50 nm, for example.

プラズマCVD法等により成膜された被アニール半導体膜20には、通常水素が多く含まれる。水素が多く含まれたまま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、水素の突沸により膜が部分的に剥離するなどの問題が生じる恐れがある。したがって、レーザアニールに先立ち、脱水素処理を行うことが好ましい。脱水素処理方法としては特に制限なく、熱アニール処理(例えば約500℃・約10分間)等が挙げられる。   The to-be-annealed semiconductor film 20 formed by plasma CVD or the like usually contains a lot of hydrogen. When crystallization is performed by laser annealing while a large amount of hydrogen is contained, there is a possibility that problems such as hydrogen bumping and the film surface becoming rough, or film peeling partially due to hydrogen bumping. Therefore, it is preferable to perform a dehydrogenation process prior to laser annealing. The dehydrogenation treatment method is not particularly limited, and examples include thermal annealing treatment (for example, about 500 ° C. for about 10 minutes).

次に、図12(b)に示す如く、被アニール半導体膜20に対して、上記レーザアニールを実施して、被アニール半導体膜20の全面を結晶化する。本実施形態では、略全面ラテラル結晶化が可能である。
次に、図12(c)に示す如く、フォトリソグラフィ法により、レーザアニール後の半導体膜21をパターニングして、TFTの素子形成領域以外の領域を除去する。パターニング後の半導体膜に符号22を付してある。
Next, as shown in FIG. 12B, the laser annealing is performed on the semiconductor film 20 to be annealed to crystallize the entire surface of the semiconductor film 20 to be annealed. In the present embodiment, substantially entire lateral crystallization is possible.
Next, as shown in FIG. 12C, the semiconductor film 21 after laser annealing is patterned by photolithography to remove regions other than the TFT element formation region. Reference numeral 22 denotes a semiconductor film after patterning.

次に、図12(d)に示す如く、CVD法やスパッタリング法等により、SiO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。
次に、図12(e)に示す如く、電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ法によるパターニング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。
Next, as shown in FIG. 12D, a gate insulating film 24 made of SiO 2 or the like is formed by CVD or sputtering. The thickness of the gate insulating film 24 is not particularly limited and is preferably about 100 nm, for example.
Next, as shown in FIG. 12E, an electrode material is formed and patterned by photolithography to form a gate electrode 25 on the gate insulating film 24.

次に、図12(f)に示す如く、ゲート電極25をマスクとして、半導体膜22にP,B等の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。ドーパントがPの場合について図示してある。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。ドープ量は、例えば3.0×1015ions/cm程度が好ましい。この工程により、TFTの活性層をなす半導体膜23が形成される。 Next, as shown in FIG. 12F, an active layer 23 having a source region 23a and a drain region 23b, which are active regions, is doped with a dopant such as P and B into the semiconductor film 22 using the gate electrode 25 as a mask. Form. The case where the dopant is P is shown. In the active layer 23, a region between the source region 23a and the drain region 23b becomes a channel region 23c. The doping amount is preferably about 3.0 × 10 15 ions / cm 2 , for example. By this step, the semiconductor film 23 forming the active layer of the TFT is formed.

次に、図12(g)に示す如く、SiO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、半導体膜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。 Next, as shown in FIG. 12G, an interlayer insulating film 26 made of SiO 2 , SiN, or the like is formed, and further, etching such as dry etching or wet etching is performed. A contact hole 27a that communicates with the source region 23a of the film 23 and a contact hole 27b that communicates with the drain region 23b are opened.

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を介して半導体膜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を介して半導体膜23のドレイン領域23bに導通される。   Further, a source electrode 28 a and a drain electrode 28 b are formed in a predetermined region on the interlayer insulating film 26. The source electrode 28a is electrically connected to the source region 23a of the semiconductor film 23 via the contact hole 27a, and the drain electrode 28b is electrically connected to the drain region 23b of the semiconductor film 23 via the contact hole 27b.

本実施形態では、レーザアニール後パターニング前の半導体膜21、パターニング後不純物注入前の半導体膜22、及び不純物注入後の半導体膜23のいずれも、上記レーザアニール技術を用いて製造された半導体膜である。
以上の工程により、本実施形態の画素スイッチング用TFT30が製造される。
In this embodiment, the semiconductor film 21 after laser annealing and before patterning, the semiconductor film 22 after patterning and before impurity implantation, and the semiconductor film 23 after impurity implantation are all semiconductor films manufactured using the laser annealing technique. is there.
Through the above steps, the pixel switching TFT 30 of this embodiment is manufactured.

次に、図12(h)に示す如く、SiOやSiN等からなる層間絶縁膜31を成膜し、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31にソース電極28aに通じるコンタクトホール32を開孔する。 Next, as shown in FIG. 12 (h), an interlayer insulating film 31 made of SiO 2 , SiN, or the like is formed, and etching such as dry etching or wet etching is performed to form the interlayer insulating film 31 on the source electrode 28a. A contact hole 32 is opened.

さらに、層間絶縁膜31上の所定の領域に、画素電極33を形成する。画素電極33は、コンタクトホール32を介してTFT30のソース電極28aに導通される。   Further, the pixel electrode 33 is formed in a predetermined region on the interlayer insulating film 31. The pixel electrode 33 is electrically connected to the source electrode 28 a of the TFT 30 through the contact hole 32.

一対の画素電極33とTFT30のみを図示してあるが、実際には、1個の基板10に対して、画素電極33はマトリクス状に多数形成され、各画素電極33に対応して画素スイッチング用TFT30が形成される。   Only a pair of pixel electrodes 33 and TFTs 30 are shown, but in reality, a large number of pixel electrodes 33 are formed in a matrix on one substrate 10, and pixel switching is performed corresponding to each pixel electrode 33. A TFT 30 is formed.

通常、液晶装置用では、1つのドットに対して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、EL装置用では、1つのドットに対して1個の画素電極33と2個の画素スイッチング用TFT30とが形成される。   Usually, for a liquid crystal device, one pixel electrode 33 and one pixel switching TFT 30 are formed for one dot, and for an EL device, one pixel electrode 33 for one dot. Two pixel switching TFTs 30 are formed.

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。
アクティブマトリクス基板40の製造にあたっては、走査線や信号線等の配線が形成される。ゲート電極25が走査線を兼ねる場合と、ゲート電極25とは別に走査線を形成する場合がある。ドレイン電極28bが信号線を兼ねる場合と、ドレイン電極28bとは別に信号線を形成する場合がある。
Through the above steps, the active matrix substrate 40 of the present embodiment is manufactured.
In manufacturing the active matrix substrate 40, wiring lines such as scanning lines and signal lines are formed. In some cases, the gate electrode 25 also serves as a scanning line, and in other cases, the scanning line is formed separately from the gate electrode 25. In some cases, the drain electrode 28b also serves as a signal line, and in other cases, the signal line is formed separately from the drain electrode 28b.

本実施形態では、上記レーザアニール技術を用いているので、結晶性が高く、TFTの活性層として好適な半導体膜21〜23を製造することができる。これらの半導体膜21〜23を用いて製造された本実施形態の画素スイッチング用TFT30は、素子特性(キャリア移動度等)や素子均一性に優れたものとなる。この画素スイッチング用TFT30を備えた本実施形態のアクティブマトリクス基板40は、電気光学装置用として高性能なものとなる。   In this embodiment, since the laser annealing technique is used, the semiconductor films 21 to 23 having high crystallinity and suitable as the active layer of the TFT can be manufactured. The pixel switching TFT 30 of this embodiment manufactured using these semiconductor films 21 to 23 is excellent in element characteristics (carrier mobility and the like) and element uniformity. The active matrix substrate 40 of this embodiment provided with the pixel switching TFT 30 has high performance for an electro-optical device.

液晶装置やEL装置等の電気光学装置では、同じ基板上に、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。駆動回路は、通常、N型TFTとP型TFTとのCMOS構造を有する。   In an electro-optical device such as a liquid crystal device or an EL device, a pixel portion in which a large number of pixel electrodes and pixel switching TFTs are formed in a matrix on the same substrate, and a plurality of driving circuit TFTs that drive the pixel portion There is a case in which a driving unit including a driving circuit configured by using the above is provided. The drive circuit usually has a CMOS structure of N-type TFT and P-type TFT.

上記レーザアニール技術では、被アニール半導体膜20を略全面ラテラル結晶化することができるので、画素スイッチング用TFTの活性層と駆動回路用TFTの活性層とを同時に形成することができる。上記レーザアニール技術では、キャリア移動度等の素子特性に優れた駆動回路用TFTを製造することができる。   In the laser annealing technique, since the semiconductor film 20 to be annealed can be substantially laterally crystallized, the active layer of the pixel switching TFT and the active layer of the driving circuit TFT can be formed simultaneously. With the laser annealing technique, it is possible to manufacture a driving circuit TFT having excellent element characteristics such as carrier mobility.

「電気光学装置」
図面を参照して、上記レーザアニール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。このレーザアニール、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13は有機EL装置の分解斜視図である。
"Electro-optical device"
With reference to the drawings, the configuration of the electro-optical device according to the laser annealing will be described. This laser annealing can be applied to an EL device or a liquid crystal device, and an organic EL device will be described as an example. FIG. 13 is an exploded perspective view of the organic EL device.

本実施形態の有機EL装置(電気光学装置)50は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板40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41R、41G、41Bが所定のパターンで形成され、その上に、共通電極42と封止膜43とが順次積層されたものである。   The organic EL device (electro-optical device) 50 according to this embodiment emits red light (R), green light (G), and blue light (B) by applying current on the active matrix substrate 40 according to the above-described embodiment. The light emitting layers 41R, 41G, and 41B to be formed are formed in a predetermined pattern, and the common electrode 42 and the sealing film 43 are sequentially stacked thereon.

封止膜43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。   Instead of using the sealing film 43, sealing may be performed with a sealing member such as a metal can or a glass substrate. In this case, a desiccant such as calcium oxide may be included.

発光層41R、41G、41B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42と封止膜43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。   The light emitting layers 41R, 41G, and 41B are formed in a pattern corresponding to the pixel electrode 33, and one pixel is composed of three dots that emit red light (R), green light (G), and blue light (B). . The common electrode 42 and the sealing film 43 are formed on substantially the entire surface of the active matrix substrate 40.

有機EL装置50では、画素電極33と共通電極42のうち、一方が陽極、他方が陰極として機能し、発光層41R、41G、41B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。   In the organic EL device 50, one of the pixel electrode 33 and the common electrode 42 functions as an anode and the other functions as a cathode, and the light emitting layers 41R, 41G, and 41B have holes injected from the anode and electrons injected from the cathode. Light is emitted by the recombination energy.

発光効率を向上するために、発光層41R、41G、41B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41R、41G、41B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。   In order to improve the luminous efficiency, a hole injection layer and / or a hole transport layer can be provided between the light emitting layers 41R, 41G, 41B and the anode. In order to improve the light emission efficiency, an electron injection layer and / or an electron transport layer can be provided between the light emitting layers 41R, 41G, 41B and the cathode.

本実施形態の有機EL装置(電気光学装置)50は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板40を用いて構成されたものであるので、TFT30の素子特性(キャリア移動度等)や素子均一性に優れており、表示品質等の電気光学特性が優れたものとなる。   Since the organic EL device (electro-optical device) 50 according to the present embodiment is configured using the active matrix substrate 40 according to the above-described embodiment, the device characteristics (such as carrier mobility) and element uniformity of the TFT 30 are excellent. Therefore, the electro-optical characteristics such as display quality are excellent.

<<実施例>>
上記レーザアニールに係る実施例及び比較例について説明する。
<< Example >>
Examples and comparative examples relating to the laser annealing will be described.

(実施例1)
ガラス基板上に、プラズマCVD法にて、酸化シリコンからなる下地膜(200nm厚)と、非結晶シリコン膜(a−Si、50nm厚)とを順次成膜した。その後、約500℃・約10分の熱アニールを実施して、非結晶シリコン膜の脱水素処理を実施した。
(Example 1)
On the glass substrate, a base film (200 nm thickness) made of silicon oxide and an amorphous silicon film (a-Si, 50 nm thickness) were sequentially formed by plasma CVD. Thereafter, thermal annealing was performed at about 500 ° C. for about 10 minutes, and dehydrogenation treatment of the amorphous silicon film was performed.

この非結晶シリコン膜に対して、上記実施形態のレーザアニール装置100(図10及び図11を参照)を用いて、レーザアニールを実施した。レーザ光発振源としては、GaN系半導体レーザ(発振波長405nm)を用いた。非結晶シリコン膜面上におけるレーザビームの形状は、20×3μmの細長い矩形状とした。   Laser annealing was performed on the amorphous silicon film using the laser annealing apparatus 100 (see FIGS. 10 and 11) of the above embodiment. A GaN semiconductor laser (oscillation wavelength of 405 nm) was used as the laser beam oscillation source. The shape of the laser beam on the surface of the amorphous silicon film was an elongated rectangular shape of 20 × 3 μm.

下記条件で、略全面レーザアニールを実施した。
<条件1>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.1MW/cm、重ね量75%。
Substantially whole surface laser annealing was performed under the following conditions.
<Condition 1>
The relative scanning speed of the laser beam was 0.01 m / s, the absorption power density in the amorphous part was 0.1 MW / cm 2 , and the overlap amount was 75%.

重ね量が75%とは、あるy位置においてレーザ光のx方向相対走査を実施した後、y位置を変えてレーザ光のx方向相対走査を実施する際には、y位置を5μmだけずらして、先にレーザ光が照射された20μm幅の領域に対して、照射領域が15μm重なるように、レーザアニールを実施したことを意味する。   The overlap amount of 75% means that after the x-direction relative scanning of the laser beam is performed at a certain y position, the y position is shifted by 5 μm when the x-direction relative scanning of the laser beam is performed by changing the y position. This means that laser annealing was performed so that the irradiated region overlapped by 15 μm with respect to the 20 μm wide region previously irradiated with the laser beam.

略全面レーザアニール後の膜表面のSEM写真及びTEM写真を図14(a),(b)に示す。図示するように、本実施例の条件では、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。しかも、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を5°以下に揃えることができた。   14A and 14B show an SEM photograph and a TEM photograph of the film surface after the substantially entire surface laser annealing. As shown in the figure, under the conditions of this example, the granular crystal part and the non-crystal part melt, but the lateral crystal part once generated does not remelt even when irradiated with laser light, and is almost entirely over the surface. A lateral crystal film having almost no granular crystal part and a seamless seam was obtained. In addition, the angle between the main relative scanning direction of the laser beam and the lateral crystal growth direction can be aligned to 5 ° or less over substantially the entire surface of the film.

レーザアニール条件を下記条件に変えて、同様にレーザアニールを実施しても、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。
<条件2>
レーザ光の相対走査速度1.0m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.5MW/cm、重ね量75%。
<条件3>
レーザ光の相対走査速度0.1m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.15MW/cm、重ね量75%。
<条件4>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.1MW/cm、重ね量25%。
Even when laser annealing was carried out in the same manner by changing the laser annealing conditions to the following conditions, a lateral crystal film having almost no granular crystal portions and almost no joints was obtained on almost the entire surface.
<Condition 2>
The relative scanning speed of the laser beam is 1.0 m / s, the absorption power density in the amorphous portion is 0.5 MW / cm 2 , and the overlap amount is 75%.
<Condition 3>
The relative scanning speed of the laser beam is 0.1 m / s, the absorption power density in the amorphous portion is 0.15 MW / cm 2 , and the overlap amount is 75%.
<Condition 4>
The relative scanning speed of the laser beam is 0.01 m / s, the absorption power density in the amorphous portion is 0.1 MW / cm 2 , and the overlap amount is 25%.

レーザ光の相対走査速度が遅い程、周囲に熱が伝導しやすく、粒状結晶が生成されやすい傾向にあるが、上記レーザアニール方法によれば、レーザ光の相対走査速度0.01m/sの条件においても、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。   The slower the relative scanning speed of the laser beam, the easier the heat is conducted to the surroundings, and the more likely the granular crystals are generated. However, according to the laser annealing method, the condition of the relative scanning speed of the laser beam of 0.01 m / s. In this case, the granular crystal part and the amorphous part melt, but the lateral crystal part once formed does not remelt even if it is irradiated with laser light, and there is almost no granular crystal part on the entire surface. A lateral crystal film having no carbon black was obtained.

(比較例1)
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例1と同様にレーザアニールを実施した。
<条件5>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.09MW/cm、重ね量70%。
略全面レーザアニール後の膜表面のSEM写真及びTEM写真を図15(a),(b)に示す。図示するように、本比較例の条件では、粒状結晶部分とラテラル結晶部分がいずれも重ねてレーザ光を照射しても再融解しなかった。そのため、重ねてレーザ光を照射しても粒状結晶部分はラテラル結晶化しなかった。また、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向(レーザ光の走査方向に対して5〜45°の角度方向)にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成した。膜面積に対して、粒状結晶の占める割合は30%以上であった。
(Comparative Example 1)
Laser annealing was performed in the same manner as in Example 1 except that laser annealing was performed under the following conditions.
<Condition 5>
The relative scanning speed of the laser beam is 0.01 m / s, the absorption power density in the amorphous part is 0.09 MW / cm 2 , and the overlapping amount is 70%.
FIGS. 15A and 15B show an SEM photograph and a TEM photograph of the film surface after the substantially entire surface laser annealing. As shown in the drawing, under the conditions of this comparative example, the granular crystal portion and the lateral crystal portion were not melted again even if they were irradiated with laser light. For this reason, even when the laser beam was irradiated repeatedly, the granular crystal portion was not laterally crystallized. Further, the lateral crystal is intended to grow in the non-parallel direction (angular direction of 5 to 45 ° with respect to the scanning direction of the laser beam) with the granular crystal serving as a nucleus, and at the same time. Since the lateral crystal tries to grow so as to align in the main relative scanning direction, a curved lateral crystal was formed. The ratio of the granular crystals to the film area was 30% or more.

(比較例2)
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例1と同様にレーザアニールを実施した。
<条件6>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.08MW/cm、重ね量70%。
(Comparative Example 2)
Laser annealing was performed in the same manner as in Example 1 except that laser annealing was performed under the following conditions.
<Condition 6>
The relative scanning speed of the laser light is 0.01 m / s, the absorption power density in the amorphous portion is 0.08 MW / cm 2 , and the overlapping amount is 70%.

略全面レーザアニール後の膜表面のTEM写真を図16に示す。比較例1よりも吸収パワー密度を落とした本比較例では、非結晶部分もラテラル結晶化せず、得られた膜は略全面が粒状結晶からなるシリコン膜であった。   FIG. 16 shows a TEM photograph of the film surface after the substantially entire surface laser annealing. In this comparative example, in which the absorption power density was lower than that in comparative example 1, the non-crystalline portion was not laterally crystallized, and the obtained film was a silicon film substantially entirely composed of granular crystals.

(Vg−Id特性の評価)
実施例1の<条件1>のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてTFTを製造し、得られたTFTのVg−Id特性(ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの関係)を評価した。
同様に、比較例1のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてTFTを製造し、そのVg−Id特性を評価した。比較例1については、2個のTFT(比較例1−A、比較例1−B)について、評価を実施した。
結果を図17に示す。図17において、左右の縦軸はいずれも同じId値を示しているが、右の縦軸は通常表示、左の縦軸は対数表示になっている。図示するように、実施例1で得られたTFTは、比較例1で得られたTFTよりも、キャリア移動度が高く、素子電流特性が良好であった。
(Evaluation of Vg-Id characteristics)
A TFT was manufactured using the silicon film obtained by laser annealing under <Condition 1> in Example 1, and the Vg-Id characteristics (relationship between the gate voltage Vg and the drain current Id) of the obtained TFT were evaluated.
Similarly, a TFT was manufactured using the silicon film obtained by laser annealing of Comparative Example 1, and its Vg-Id characteristics were evaluated. For Comparative Example 1, evaluation was performed on two TFTs (Comparative Example 1-A and Comparative Example 1-B).
The results are shown in FIG. In FIG. 17, the left and right vertical axes indicate the same Id value, but the right vertical axis is normal display and the left vertical axis is logarithmic display. As shown in the figure, the TFT obtained in Example 1 had higher carrier mobility and better device current characteristics than the TFT obtained in Comparative Example 1.

上記レーザアニール装置は、薄膜トランジスタ(TFT)及びこれを備えた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。   The laser annealing apparatus can be preferably applied to the manufacture of a thin film transistor (TFT) and an electro-optical device including the same.

(a)あるy位置でレーザ光のx方向相対走査を1回実施したときのラテラル結晶と粒状結晶の生成の様子を示す斜視図、(b)はy位置を変えたレーザ光のx方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図(A) Perspective view showing a state of generating a lateral crystal and a granular crystal when the x-direction relative scanning of the laser beam is performed once at a certain y position, and (b) is a relative view of the laser beam in the x direction when the y position is changed. Image plan view of crystallization when repeated scanning シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と屈折率nとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the wavelength and the refractive index n in the lateral crystal part of a silicon film, a granular crystal part, and an amorphous part シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と吸収係数との関係を示す図The figure which shows the relationship between the wavelength and the absorption coefficient in the lateral crystal part, the granular crystal part and the non-crystalline part of the silicon film レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図The figure which shows the relationship between the wavelength of a laser beam, the absorptivity ratio of granular crystalline silicon with respect to the absorptivity of amorphous silicon, and the absorptivity ratio of lateral crystalline silicon with respect to the absorptivity of amorphous silicon レーザ光の表面到達温度が2200℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度と、生成する結晶状態との関係を示す図The figure which shows the relationship between the energy ratio with respect to the absorbed light energy in which the surface arrival temperature of a laser beam is 2200 degreeC, the surface arrival temperature of a laser beam, and the crystal state to produce | generate 膜厚t(nm)=50,100,200としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図The figure which shows the relationship between the wavelength of a laser beam when the film thickness t (nm) = 50,100,200 and the absorptivity ratio of the lateral crystalline silicon with respect to the absorptivity of the amorphous silicon シリコン膜の膜厚tに対して、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約1700〜2200℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約1400℃以下となる波長の範囲を示す図A range of wavelengths where the surface temperature of the granular crystal portion and the non-crystalline portion is about 1700 to 2200 ° C. and the surface temperature of the lateral crystal portion is about 1400 ° C. or less with respect to the thickness t of the silicon film. Figure レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約2000±200℃となる吸収パワー密度の範囲を示す図The figure which shows the range of the absorption power density from which the surface arrival temperature in an amorphous part becomes about 2000 +/- 200 degreeC with respect to the relative scanning speed of a laser beam. 非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図Image diagram of absorptance distribution, irradiation light intensity distribution of laser light on the film surface, absorption energy distribution of laser light, and temperature distribution in non-crystal part, granular crystal part and lateral crystal part レーザアニール装置の全体構成図Overall configuration of laser annealing equipment 図10のレーザアニール装置に備えられた1個の合波半導体レーザ光源の内部構成を示す図The figure which shows the internal structure of one combining semiconductor laser light source with which the laser annealing apparatus of FIG. 10 was equipped. (a)〜(h)は、レーザアニールに係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、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(A)-(h) is process drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor film of this Embodiment which concerns on laser annealing, a semiconductor device using the same, and an active matrix substrate provided with the same レーザアニールに係る実施形態の有機EL装置(電気光学装置)の構成を示す図The figure which shows the structure of the organic electroluminescent apparatus (electro-optical apparatus) of embodiment which concerns on laser annealing (a)は実施例1において条件1でレーザアニールを実施したときのレーザアニール後のSEM表面写真、(b)は同TEM表面写真(A) is a SEM surface photograph after laser annealing when laser annealing is performed under condition 1 in Example 1, and (b) is a TEM surface photograph. (a)は比較例1のレーザアニール後のSEM表面写真、(b)は同TEM表面写真(A) is SEM surface photograph after laser annealing of Comparative Example 1, and (b) is TEM surface photograph. 比較例2のレーザアニール後のTEM表面写真TEM surface photograph after laser annealing of Comparative Example 2 実施例1と比較例1において得られたTFTのVg−Id特性の評価結果を示す図The figure which shows the evaluation result of the Vg-Id characteristic of TFT obtained in Example 1 and Comparative Example 1 本発明の実施の形態によるレーザ光照装置の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the laser beam irradiation apparatus by embodiment of this invention (a),(b)は、マルチ横モード光が持つ干渉性を低減する様子を説明する図(A), (b) is a figure explaining a mode that the coherence which multi transverse mode light has is reduced. レーザ光照装置を適用したマルチビーム走査光学系の概略構成を示す平面図A plan view showing a schematic configuration of a multi-beam scanning optical system to which a laser light irradiation device is applied マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされたレーザ光が並ぶ方向から見た様子を示す側面図Side view showing a multi-beam scanning optical system viewed from the direction in which collimated laser beams emitted from a semiconductor laser are aligned マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされたレーザ光の伝播方向から見た様子を示す正面図Front view showing a multi-beam scanning optical system as seen from the propagation direction of collimated laser light emitted from a semiconductor laser

符号の説明Explanation of symbols

124 コリメートレンズ
128A、B 1/2波長位相差素子
221 レーザ光照射装置
223 マルチ横モード半導体レーザ
230 集光レンズ
Hp 所定面
LL レーザ光
Lac、Lbd 偏光合波レーザ光
124 Collimating lens 128A, B 1/2 wavelength phase difference element 221 Laser light irradiation device 223 Multi transverse mode semiconductor laser 230 Condensing lens Hp Predetermined surface LL Laser light Lac, Lbd Polarization combined laser light

Claims (12)

マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する3つ以上の半導体レーザと、前記半導体レーザから射出された各レーザ光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートされた各レーザ光を所定面上へスポット状に集光させる集光光学系とを備えたレーザ光照射装置であって、
前記コリメートレンズから前記集光光学系に至るまでの光路に配された、互に異なる光路を伝播する少なくとも2つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させる偏光合波手段と、
前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させる角度合波手段と、
前記光路中に配された、前記レーザ光の各光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の前記所定面上での干渉性を低減させる干渉性低減手段とを備えたことを特徴とするレーザ光照射装置。
Three or more semiconductor lasers each emitting multi-lateral mode laser light, a collimating lens for collimating each laser light emitted from the semiconductor laser, and each collimated laser light in a spot shape on a predetermined surface A laser beam irradiation device including a condensing optical system for condensing,
A polarization multiplexing unit arranged in an optical path from the collimating lens to the condensing optical system, and polarization-combining at least two laser beams propagating in different optical paths and propagating to the same optical path;
Angle multiplexing means for angularly multiplexing the polarization-multiplexed laser beam and other laser beams so that the optical axes of all the laser beams intersect each other on the predetermined plane;
Coherence reducing means for reducing the coherence on the predetermined plane of two wavefront components that are disposed in the optical path and propagate in positions symmetrical to the optical axes of the laser light. A laser beam irradiation device characterized.
前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を前記半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させる光路変位手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザ光照射装置。   The laser light combined with the polarized light and the other laser light are emitted from the semiconductor laser with the optical axes of all the laser lights parallel to each other, and the interval between the optical axes of the laser lights is emitted from the semiconductor laser. An optical path displacing means is provided for displacing the optical path of the laser beam so that the laser beam is incident on the condensing optical system in a state of being smaller than the interval between the optical axes of each laser beam. Item 2. A laser beam irradiation apparatus according to Item 1. 前記半導体レーザを4つ備え、前記偏光合波手段が、前記半導体レーザそれぞれから射出された4つのレーザ光のうちの2つのレーザ光を偏光合波させるとともに、他の2つのレーザ光をも偏光合波させるものであることを特徴とする請求項1または2記載のレーザ光照射装置。   Four semiconductor lasers are provided, and the polarization multiplexing unit polarizes and combines two laser beams out of the four laser beams emitted from the semiconductor lasers, and also polarizes the other two laser beams. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam irradiation apparatus is a device for multiplexing. 前記干渉性低減手段が、前記半導体レーザから射出されるレーザ光における遠視野像の形成位置に配置されたものであることを特徴とする請求項1または3記載のレーザ光照射装置。   4. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the coherence reducing means is disposed at a far field image forming position in the laser beam emitted from the semiconductor laser. 前記干渉性低減手段が1/2波長位相差素子であり、該1/2波長位相差素子が前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分のうちのいずれか一方の位相を変化させるように配置されたものであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載のレーザ光照射装置。   The coherence reducing means is a ½ wavelength phase difference element, and the ½ wavelength phase difference element is one of two wavefront components propagating in a symmetric position with respect to the optical axis of the laser beam. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam irradiation apparatus is arranged so as to change a phase of the laser beam. 前記半導体レーザが気密封止されたものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載のレーザ光照射装置。   6. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the semiconductor laser is hermetically sealed. 前記所定面が非晶質半導体膜上の領域であり、前記非晶質半導体膜が、該非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときの該レーザ光からのエネルギの吸収率が変動するものであり、
前記レーザ光を前記非晶質半導体膜上へ走査させるときに、前記非晶質半導体膜で吸収される前記レーザ光のエネルギが該非晶質半導体膜上の場所によらず一定となるように、前記レーザ光の光強度または走査速度を調節する吸収エネルギ調節手段を備えたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載のレーザ光照射装置。
The laser light when the predetermined surface is a region on the amorphous semiconductor film, and the amorphous semiconductor film is irradiated with the laser light according to a difference in crystal state in the amorphous semiconductor film. The absorption rate of energy from
When scanning the laser light onto the amorphous semiconductor film, the energy of the laser light absorbed by the amorphous semiconductor film is constant regardless of the location on the amorphous semiconductor film. The laser light irradiation apparatus according to claim 1, further comprising absorption energy adjusting means for adjusting light intensity or scanning speed of the laser light.
前記吸収エネルギ調節手段が、前記レーザ光の光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子であることを特徴とする請求項7記載のレーザ光照射装置。   8. The laser light irradiation apparatus according to claim 7, wherein the absorption energy adjusting means is a spatial modulation element having a complex amplitude distribution of an inverse Fourier transform profile arranged in an optical path of the laser light. 前記吸収エネルギ調節手段が、前記レーザ光の波長を合波させる波長合波手段であることを特徴とする請求項7記載のレーザ光照射装置。   8. The laser beam irradiation apparatus according to claim 7, wherein the absorption energy adjusting unit is a wavelength combining unit that combines the wavelengths of the laser beams. マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する3つ以上の半導体レーザから射出されコリメートレンズによってコリメートされた各レーザ光を集光光学系により所定面上へスポット状に集光させるレーザ光照射方法であって、
前記コリメートレンズから前記集光光学系に至るまでの互に異なる光路を伝播する少なくとも2つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させ、前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させるとともに、前記光路中において前記レーザ光の各光軸に対して対称な位置を伝播する2つの波面成分の前記所定面上での干渉性を低減させることを特徴とするレーザ光照射方法。
This is a laser beam irradiation method in which laser beams emitted from three or more semiconductor lasers each emitting multi-lateral mode laser beams and collimated by a collimator lens are focused in a spot shape on a predetermined surface by a focusing optical system. And
At least two laser beams propagating in different optical paths from the collimating lens to the condensing optical system are polarized and combined to be propagated to the same optical path, and the polarized combined laser beam and other lasers Two wavefront components that cause light to be angularly multiplexed such that the optical axes of all the laser beams intersect each other on the predetermined plane, and propagate in positions symmetrical to the optical axes of the laser beams in the optical path A method of irradiating laser light on the predetermined surface is reduced.
前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を前記半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させることを特徴とする請求項10記載のレーザ光照射方法。   The laser light combined with the polarized light and the other laser light are emitted from the semiconductor laser with the optical axes of all the laser lights parallel to each other, and the interval between the optical axes of the laser lights is emitted from the semiconductor laser. 11. The laser beam according to claim 10, wherein an optical path of the laser beam is displaced so as to be incident on the condensing optical system in a state of being smaller than an interval between the optical axes of the laser beams when the laser beam is transmitted. Irradiation method. 前記所定面が非晶質半導体膜上の領域であり、前記非晶質半導体膜が、該非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときの該レーザ光からのエネルギの吸収率が変動するものであり、
前記レーザ光を前記非晶質半導体膜上へ走査させるときに、前記非晶質半導体膜で吸収される前記レーザ光のエネルギが該非晶質半導体膜上の場所によらず一定となるように、前記レーザ光の光強度または走査速度を調節することを特徴とする請求項10または11記載のレーザ光照射方法。
The laser light when the predetermined surface is a region on the amorphous semiconductor film, and the amorphous semiconductor film is irradiated with the laser light according to a difference in crystal state in the amorphous semiconductor film. The absorption rate of energy from
When scanning the laser light onto the amorphous semiconductor film, the energy of the laser light absorbed by the amorphous semiconductor film is constant regardless of the location on the amorphous semiconductor film. The laser light irradiation method according to claim 10 or 11, wherein the light intensity or scanning speed of the laser light is adjusted.
JP2007057301A 2007-03-07 2007-03-07 Laser irradiation method and apparatus Expired - Fee Related JP4908269B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007057301A JP4908269B2 (en) 2007-03-07 2007-03-07 Laser irradiation method and apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007057301A JP4908269B2 (en) 2007-03-07 2007-03-07 Laser irradiation method and apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008218893A true JP2008218893A (en) 2008-09-18
JP4908269B2 JP4908269B2 (en) 2012-04-04

Family

ID=39838540

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007057301A Expired - Fee Related JP4908269B2 (en) 2007-03-07 2007-03-07 Laser irradiation method and apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4908269B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012074675A (en) * 2010-08-31 2012-04-12 Univ Of Ryukyus Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140070776A (en) * 2012-11-27 2014-06-11 한국전자통신연구원 Apparatus for analyzing a laser fault

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5688177A (en) * 1979-12-20 1981-07-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Display unit
JPH0696466A (en) * 1992-09-14 1994-04-08 Fuji Xerox Co Ltd Optical pickup device
JPH08338931A (en) * 1995-05-02 1996-12-24 Eastman Kodak Co Method and apparatus for coupling of light shone at multimode optical fiber from multimode laser diode array
JP2000091231A (en) * 1998-09-16 2000-03-31 Toshiba Corp Method for growing polycrystal and manufacturing device
JP2003124136A (en) * 2001-10-10 2003-04-25 Hitachi Ltd Method and apparatus for laser annealing and tft board
JP2003202511A (en) * 2002-01-08 2003-07-18 Canon Inc Optical scanner, light source device and image forming apparatus
JP2003229376A (en) * 2001-11-30 2003-08-15 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiating device and method, and method for manufacturing semiconductor device
JP2004064066A (en) * 2002-06-07 2004-02-26 Fuji Photo Film Co Ltd Laser annealing device
JP2004087958A (en) * 2002-08-28 2004-03-18 Ricoh Opt Ind Co Ltd Optical semiconductor light source apparatus and optical source package
JP2004200497A (en) * 2002-12-19 2004-07-15 Sony Corp Light emitting device and laser annealing device
JP2006332637A (en) * 2005-04-28 2006-12-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Method of manufacturing semiconductor device and laser irradiation apparatus
JP2006330071A (en) * 2005-05-23 2006-12-07 Fujifilm Holdings Corp Linear beam generating optical apparatus

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5688177A (en) * 1979-12-20 1981-07-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Display unit
JPH0696466A (en) * 1992-09-14 1994-04-08 Fuji Xerox Co Ltd Optical pickup device
JPH08338931A (en) * 1995-05-02 1996-12-24 Eastman Kodak Co Method and apparatus for coupling of light shone at multimode optical fiber from multimode laser diode array
JP2000091231A (en) * 1998-09-16 2000-03-31 Toshiba Corp Method for growing polycrystal and manufacturing device
JP2003124136A (en) * 2001-10-10 2003-04-25 Hitachi Ltd Method and apparatus for laser annealing and tft board
JP2003229376A (en) * 2001-11-30 2003-08-15 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiating device and method, and method for manufacturing semiconductor device
JP2003202511A (en) * 2002-01-08 2003-07-18 Canon Inc Optical scanner, light source device and image forming apparatus
JP2004064066A (en) * 2002-06-07 2004-02-26 Fuji Photo Film Co Ltd Laser annealing device
JP2004087958A (en) * 2002-08-28 2004-03-18 Ricoh Opt Ind Co Ltd Optical semiconductor light source apparatus and optical source package
JP2004200497A (en) * 2002-12-19 2004-07-15 Sony Corp Light emitting device and laser annealing device
JP2006332637A (en) * 2005-04-28 2006-12-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Method of manufacturing semiconductor device and laser irradiation apparatus
JP2006330071A (en) * 2005-05-23 2006-12-07 Fujifilm Holdings Corp Linear beam generating optical apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012074675A (en) * 2010-08-31 2012-04-12 Univ Of Ryukyus Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4908269B2 (en) 2012-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4413569B2 (en) Display panel manufacturing method and display panel
TWI411019B (en) A laser irradiation apparatus and a laser irradiation method and a method for manufacturing the object to be modified
JP4660074B2 (en) Laser annealing equipment
JP4838982B2 (en) Laser annealing method and laser annealing apparatus
TW564465B (en) Method and apparatus for making a poly silicon film, process for manufacturing a semiconductor device
JP5133548B2 (en) Laser annealing method and laser annealing apparatus using the same
JP2003068644A (en) Method for crystallizing silicon and laser annealing system
US20100320401A1 (en) Irradiation apparatus and manufacturing method for semiconductor device
JP2004103628A (en) Laser annealing device and method of laser-annealing tft substrate
JP2004349643A (en) Laser annealer
JP2004111584A (en) Process for fabricating semiconductor device
JP5657874B2 (en) Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, method for modifying amorphous silicon film, silicon crystallization apparatus, silicon crystallization method
JP2004342875A (en) Laser annealing device
JP4908269B2 (en) Laser irradiation method and apparatus
JP2011165717A (en) Display device and method of manufacturing the same
JP2017224708A (en) Method of producing polycrystalline semiconductor film, laser annealing device, thin film transistor, and display
JP2010034366A (en) Semiconductor processing apparatus, and semiconductor processing method
JP4799825B2 (en) Laser irradiation method
JP5068975B2 (en) Laser annealing technology, semiconductor film, semiconductor device, and electro-optical device
JP5053609B2 (en) Laser annealing technology, semiconductor film, semiconductor device, and electro-optical device
JP5053610B2 (en) Laser annealing method, semiconductor film, semiconductor device, and electro-optical device
JP5068972B2 (en) Laser annealing apparatus, semiconductor film substrate, element substrate, and electro-optical device
JP2006344844A (en) Laser processing device
JP2008089833A (en) Multibeam scanning method and multibeam scanning optical system
KR101372869B1 (en) Process and system for laser annealing and laser-annealed semiconductor film

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090911

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110629

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111220

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120112

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150120

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4908269

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees