JP2009049030A

JP2009049030A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2009049030A
Application number: JP2007210733A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Ogino; 義明荻野; Katsumi Kimura; 克巳木村; Yasuhiro Iida; 康弘飯田; Kazuhiro Soga; 和弘曽我
Original assignee: Hitachi Computer Peripherals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-13
Also published as: JP5286482B2

Abstract

【課題】被対象物面上に所定サイズ且つ高密度なレーザパワー密度の矩形レーザスポットの提供。
【解決手段】レーザ光を発光するレーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、レーザ光を透過するコア部１６及び該コア部１６を覆うクラッド部１７から成る光導波路部１と、該光導波路部１の出射端面１５から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットを形成するレンズ２とを備え、前記光導波路部１の出射端面１５が、一辺長を１μm〜２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ〜６０ｍｍとした矩形形状のコア部１６を有し、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部１６から出射するレーザスポットのパワー密度を０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定する半導体製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の照射によって被対象物の各処理や改質を行うことにより、液晶や有機ＥＬ等のフラットディスプレイの製造を行う半導体製造装置に係り、特に絶縁基板上に形成したアモルファスシリコン（非結晶質）やポリシリコン（多結晶質）にレーザ光を照射してシリコン膜の改質を行うフラットディスプレイの製造システムに好適な半導体製造装置に関する。

近年のディスプレイ装置は、表示素子として液晶素子を使用し、この液晶素子（画素素子）や該液晶素子のドライバー回路は薄膜トランジスター（ＴＦＴ［ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ］、以下、ＴＦＴと呼ぶ）により構成されている。このＴＦＴは、製造過程においてガラス基板上に形成したアモルファスシリコンをポリシリコンに改質する工程が必要である。尚、本明細書において改質とは、アモルファスシリコンをポリシリコンに変化させることに限られるものではなく、ある物質の物質的特性を変化させることを言う。

この改質工程は、レーザ照射によるシリコン膜の改質を行うものであり、図１０に示す如く、石英ガラスや無アルカリガラスの絶縁基板上７２に絶縁基板７２からの不純物の混入を阻止するアンダーコート膜（ＳｉＯ２）７３を形成する工程と、該アンダーコート膜７３上にアモルファスシリコン膜面７４を形成する工程と、高出力レーザを光源とし、アモルファスシリコン膜面７４に線状レーザビーム７５を照射する工程と、線状レーザビーム７５の短手方向７４Ａに走査することによりポリシリコン７４Ｂに改質する工程と、ＴＦＴを構成する位置のみポリシリコンを切り出す工程と、その上にゲート酸化膜（ＳｉＯ２）を形成し最上部にゲート電極を取り付ける工程と、酸化膜（ＳｉＯ２）に所定の不純物イオンを注入してソース／ドレインを形成する工程と、ソース／ドレインにアルミ電極を立て全体を保護膜で被いＴＦＴを造る工程から成る。尚、前記絶縁基板７２とアンダーコート膜７３の間にＳｉＮまたはＳｉＯＮを挟み込んでも良い

前記レーザ照射によるシリコン膜の改質工程は、エキシマレーザを用いるエキシマレーザアニールが一般的であり、シリコン膜に光吸収率の高い波長３０７ｎｍでパルス幅が数十ｎＳのＸｅＣｌエキシマレーザを照射し、１６０ｍＪ／ｃｍ^２の比較的低いエネルギーを注入してシリコン膜を一気に融点まで加熱することによりポリシリコン膜を形成している。前記エキシマレーザは、数百Ｗの大出力を持ち、長方形マザーガラスの一辺以上の長さを持つ大型線状レーザスポットを形成させることができ、マザーガラス上に形成したシリコン膜全面を一括で効率よく改質できるといった特徴をもつ。このエキシマレーザによるシリコン改質では、ＴＦＴの性能に強く影響を与えるポリシリコンの結晶粒径が１００ｎｍから５００ｎｍと小さく、ＴＦＴ性能の指標である電界効果移動度は１５０ｃｍ^２／Ｖ・Ｓ程度に留まることができる。

近年、フラットディスプレイ上の画素子やドライバー回路以外に、コントロール回路やインタフェース回路、更には演算回路など高機能回路を搭載するシステム・オン・ガラスが提案され、一部実現している。前記高機能回路を形成するＴＦＴは高性能なものが要求され、良質（大型結晶粒）なポリシリコン改質が必須である。この良質なポリシリコン改質に関する技術が記載された文献としては下記特許文献１が挙げられ、光源に半導体励起用の固体レーザを用いて連続発光（ＣＷ）しながらシリコン膜上に照射したレーザビームを走査させることにより、走査方向に細長い大型結晶粒をもつ良質なアモルファスシリコン膜を形成することや、高性能ＴＦＴが必要な箇所に予めアモルファスシリコンを線状（リボン状）または島状（アイランド状）にパターニングしておくことにより、３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の電界効果移動度が得られ、高性能ＴＦＴを形成することが記載されている。

前述エキシマレーザアニール及び固体レーザアニールにおいて、シリコン膜面上に照射し形成したレーザスポットのパワー密度は、比較的大きくかつ、空間的なレーザ強度分布は均一であることが望まれる。この理由としては、シリコン膜の結晶を含む改質過程において、シリコン膜に隣接した積層膜に熱が転写する前の短時間内（数十ｎｓ〜数十μｓ）に改質するだけのエネルギー注入が必要であるためと、レーザ強度分布の空間強度むらが改質斑に直接的影響を与えこれを回避するためである。

エキシマレーザ光の強度分布を整形する方法として、下記特許文献２記載技術が提案されている。この特許文献２に記載されたビームホモジナイザー（beam homogenizer：レーザー光のプロファイルを照射面において均一化するための光学モジュール）は、エキシマレーザ出射後段にシリンドリカルレンズ、フライアイレンズなどで構成されているレンズ群を配置し、最終的にシリコン膜面上にて所望のスポット形状とレーザ強度分布が得られるよう構成されている。

また、複数の低出力固体レーザより出射したレーザ光を光ファイバーにて一箇所に統合させ、統合したレーザ光を光導波路部を通しシリコン膜に照射する技術が記載された文献としては下記特許文献３が挙げられ、この特許文献３には、複数のレーザ発光素子から照射されたレーザ光を光ファイバ体を用いて統合し、この統合したレーザ光を光導波路部を用いて複数の分岐路に分岐して照射することが記載されている。
特開２００３−８６５０５号公報特開平９−１２９５７３号公報特開２００７−８８０５０号公報

前記した特許文献２に開示されている技術は、シリンドリカルレンズやフライアイレンズ、ビームエキスパンダやスリットなどの多数の光学部品によりビームホモジナイザーを構成しており、各光学部品の配置も含め非常に複雑であると言う不具合がある。また、特許文献３に開示されている技術は、光導波路部の出射面より複数に出射拡散したレーザ光をシリコン膜に照射するものであり、シリコン膜に形成するレーザスポット形状、レーザ強度分布、レーザパワー密度の制御については特に開示されておらず、被対象物に対するレーザスポットの形状／レーザパワー密度制御を好適に制御することが困難であると言う不具合があった。更に特許文献３には、シリコン膜に形成したレーザスポット形状を監視・維持手段についても特に開示されていない。

本発明は、前述の従来技術による不具合を鑑みてなされたものであり、被対象物面上に所定サイズの矩形レーザスポットと比較的高密度なレーザパワー密度、トップフラットなレーザ強度分布をもつレーザスポットを比較的簡素化された構成及び配置にて実現し、該レーザスポットにて被対象物面を改質する半導体製造装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、前記光導波路部が、一辺長を１μm〜２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ〜６０ｍｍとした矩形形状のコア部を出射端面に有し、前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定することを第１の特徴とする。

また本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、前記光導波路部が、短手方向幅が１μm〜２０μm、長手方向幅が１ｍｍ〜６０ｍｍとした長楕円形状のコア部を出射端面に有し、前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定することを第２の特徴とする。

また本発明は、前記何れかの特徴の半導体製造装置において、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ−Ｖ）／ＰＸ１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とすることを第３の特徴とする。

また本発明は、前記何れかの特徴の半導体製造装置において、前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けたことを第４の特徴とする。

更に本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、前記光導波路部が、一辺長を１μm〜２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ〜６０ｍｍとした矩形形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定し、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行うことを第５の特徴とする。

また本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットを形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、前記光導波路部が、短手方向幅が１μm〜２０μm、長手方向幅が１ｍｍ〜６０ｍｍとした長楕円形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定し、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行うことを第６の特徴とする。

また本発明は、前記第５又は第６の特徴の半導体製造装置において、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ−Ｖ）／ＰＸ１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とすることを第７の特徴とする。

また本発明は、前記第５乃至７の何れかの特徴の半導体製造装置において、前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けたことを第８の特徴とする。

また本発明は、前記第５乃至８の何れかの特徴の半導体製造装置において、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行うことを第９の特徴とする。

本発明による半導体製造装置は、レーザ光源から出射したレーザ光をコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部を用いて伝搬し、前記コア部のサイズを所定の寸法とし且つレーザ光源のレーザパワーを制御することによって、被対象物面上に所定サイズ且つ高密度なレーザパワー密度をもつ矩形レーザスポットを被対象物の表面に簡素な構造で照射することができる。更に本発明による半導体製造装置は、前記光導波路部にレーザスポットのフォーカス制御用のレーザ光を透過する副コア部を設けたことによって、簡素な構造でフォーカス制御を行うことができる。

以下、本発明の実施形態による半導体製造装置を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態による半導体製造装置の構成図、図２は本実施形態による光導波路部の出射端面を説明するための図、図３は本実施形態による光導波路部の出射端面から出力するレーザ強度分布を説明するための図、図４は他の実施形態による複合光導波路部を用いた半導体製造装置の構成図、図５は本実施形態による複合光導波路部の出射端面を説明するための図、図６はフォーカスエラー信号と被対象物面傾斜の関係図、図７は本実施形態による半導体製造装置の動作を説明するための図、図８はディスプレイとレーザ走査位置の関係を説明するための図、図９はシステム・オン・ガラスディスプレイを説明するための図、図１０は一般的な基板上構成とレーザ照射によるシリコン膜の改質を示す図である。

尚、本願明細書に添付した図面に用いる図の座標Ｘ、Ｙ、Ｚは全て共通とし、レーザスポットは、複数のレーザ発光素子からのレーザ光をレンズ群を用いて所望のスポット形状に形成されるものであって、例えばＸ方向に延びる長方楕円形状に形成され、このレーザスポットの空間的なレーザ強度分布の均一度をＰＶ率と呼び、図３に示す如く、レーザ強度分布の最大値をＰ、レーザ強度分布の最小値をＶとしたとき、ＰＶ率＝（Ｐ−Ｖ）／ＰＸ１００％と定義する。

＜第１実施形態＞
本発明の一実施形態による半導体製造装置は、図１に示す如く、レーザ光を照射する複数のレーザ光源（図示なし）と、該複数のレーザ光源から照射された複数のレーザ光を入射して出射する光導波路部１と、該光導波路部１から出射したレーザ光の幅を絞り込むために矢印８及び９の方向へ移動する可変アパーチャ６及び７と、この可変アパーチャ６及び７を通過したレーザ光を入射して平行光にするコリメートレンズ２と、該コリメートレンズ２から出射した平行レーザ光を焦点合わせを行うために絞り込む対物レンズ３とから構成されている。

前記光導波路部１は、互いに屈折率が異なるコア部１０及びクラッド部１１にて構成され、該コア部１０がクラッド部１１との屈折率の違いにより、レーザ光がコア部１０を透過しクラッド部１１との境界面で全反射し、レーザ光を閉じ込めて所定の伝搬方向に導くものである。この光導波路部１は光軸方向１４と直交する面のレーザ光空間強度分布を平滑化する機能も有している。

この光導波路部１の詳細構造は、図１の光軸方向１４から光導波路部１の出射端面１５を見た図２に示す如く、斜線領域にて示した四角枠筒形状のクラッド部１７と、該クラッド部１７と屈折率の相違によりレーザ光を透過するように内部に配置され、長さＬ／幅Ｄの細長い矩形状を成すコア部１６とから構成され、コア部長手方向ＬをＸ方向としたとき、このＸ方向は図１のＸ方向と一致している。

次に本実施形態による半導体製造装置によるレーザ光路を説明する。本装置は、レーザ光源から出射したレーザ光１３を光導波路部１のコア部１０に入射させることにより、光導波路部１が入射したレーザ光１３がクラッド部１１との境界にて全反射し吸収損失することなくコア部１０内を透過して透過する経路にて光軸方向１４と直交する面内の空間的レーザ強度分布を平滑化して出射端面１５から出射し、この出射したレーザ光を可変アパーチャ６及び７が所定の幅に絞り込み、このレーザ光をコリメートレンズ２が平行光にし、この平行光を対物レンズ３が所定の倍率比により被対象物４表面に所定サイズのレーザスポット５を焦点合わせを行うように結像する。

前記光導波路部１のコア部１０に入射させるレーザ光１３は、図示しないレンズにより絞りコア部１０に入射させても良く、レーザ光源から離れた箇所に設置したレーザ光を光ファイバーを用いて伝送させてコア部１０に入射させても良い。更にレーザ光源は複数あっても良く、必要に応じた数のレーザ光源を設置すれば良い。また、光ファイバーを直線的に並べ光ファイバーのコア部を光導波路部１のコア部１０に直結させ、光ファイバーのコア部から出射したレーザ光を光導波路部１のコア部１０に直接入射させても良い。

また前記光導波路部１の光軸方向１４の長さは、光導波路部１の出射端面１５にてＰＶ率が２０％以下になるように決めれば良い。光導波路部１の出射端面１５を抜け出たレーザ光は可変アパーチャ６及び７にてＸ方向の出射幅が制御される。

図３は、光導波路部１の出射端面１５から出力するレーザ強度分布を説明するための図である。この図を参照すれば明らかな如く、横軸をＸとしたレーザ強度分布１８の両端ＡとＢは、図２のＡとＢの位置に相当し、レーザスポットの両端は急峻に立ち上がり、多少凸凹が存在するトップフラットな形状となる。

以上説明したように、本実施形態による半導体製造装置により被対象物面４に形成されるレーザスポット５のサイズは、光導波路部１の出射端面１５のサイズ（長さＬＸ幅Ｄ）を対物レンズの倍率にて相似的縮小したサイズであり、被対象物面４に形成されるレーザスポット５の空間的強度分布は、光導波路部１の出射端面１５から出力するレーザ強度分布１８と一致することが判る。

本実施形態による半導体製造装置は、被対象物、例えば厚さ５０ｎｍ程度のアモルファスシリコンをポリシリコンに成長させるため、レーザスポット５を相対的にＹ方向に走査させれば良く、実用的な走査速度１００ｍｍ／ｓ以上においては、レーザスポット５の走査方向の幅は２０μm以下が好適であり、レーザパワー密度は０．１ｍＷ／μm^２以上が望ましい。この条件における半導体製造装置の被対象物の改質を行うレーザ波長は、例えばアモルファスシリコンによる吸収が得られる３７０ｎｍ〜４８０ｎｍが好ましく、均一なポリシリコンを得るには、レーザスポット５の長手方向（Ｘ方向）のレーザ強度分布のＰＶ率は２０％以下が望ましい。この理由は、ＰＶ率が２０％以上になると結晶サイズの斑や局所的な凝集、昇華が発生しやすくなるためである。

また、本装置において対物レンズ３の倍率が１倍のとき、光導波路部１の短手コア幅Ｄは２０μm以下であれば良く、長手コア幅Ｌは１ｍｍ以上が良い。また、光導波路部１の出射端面１５におけるレーザパワー密度は、０．１ｍＷ／μm^２以上であれば良い。更には、光導波路部１の出射端面１５のレーザ強度分布におけるＰＶ率は２０％以下であれば良い。この対物レンズの倍率を上げれば、上記被対象物面上のレーザスポット条件を容易に満たすことができる。

前記実施形態においては、コリメートレンズ２および対物レンズ３が光導波路部１の出射端面１５を相似的に縮小して被対象物に集光投影する例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、光導波路部の出射端面の縦横比を所定倍率に設定したレンズを用いても、このようなレンズを用いることにより被対象物４面上に任意の縦横比を持つレーザスポット５を形成することもできる。例えば、本発明による光導波路部は、一辺長を１μm〜２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ〜６０ｍｍとしても良い。

＜第２実施形態＞
次に本発明の他の実施形態による複合光導波路部を用いた半導体製造装置の構成を図４を参照して説明する。この実施形態による半導体製造装置は、前記実施形態同なレーザ光源（図示なし）と、本実施形態の特徴である複合光導波路部１９と、コリメートレンズ２３と、複合光導波路部１９から出射されたレーザ光を透過し、被対象物３７から反射されたレーザ光を直角方向に反射するビームスプリッタ２４と、対物レンズ２５と、集光レンズ２８と、前記ビームスプリッタにより反射されたレーザ光を受光して電気信号に変換するフォーカスディテクタ２９と、該フォーカスディテクタ２９から出力された電気信号を基にフォーカスエラー信号３３Ａ〜３３Ｃを出力する演算素子３０〜３２とから構成される。

前記複合光導波路部１９は、図４の複合光導波路部１９の出射端面２２を光軸３６Ａから見た図５に示す如く、断面長方形状の共通クラッド部３８（斜線部）と、該クラッド部３８の内部に該クラッド部３８との屈折率の差異によりレーザ光を反射する複数のコア部を配置している。前記コア部は、中央の長方形のコア部３９（主コア部に相当）と、該長方形コア部３９の周りに対称的に３つの小さなコア部４１Ａ〜４１Ｆ（副コア部に相当）を配置している。これらクラッド部及び７つのコア部は、光軸３６Ａ方向に平行に形成されており、レーザ光入射面においても同様のサイズ及び形状となっている。このような構造により本実施形態による複合光導波路部１９は、コア部に入射したレーザ光をクラッド部との境界にて全反射し、吸収損失することなく透過させ、各コア部を透過したレーザ光を相互干渉することなく各自コア内を通過する。また各コア部の出射端面は光軸３６Ａと直角になっており、各コアの出射端面は同一面に精度よく揃えられている。

特に本実施形態装置は、コア３９を通過するレーザ光を被対象物３７を改質するためのレーザ光とし、コア４１Ａ〜４１Ｆを通過するレーザ光をレーザスポット２７のサイズを検出するためのレーザ光として利用する。

次に本実施形態による半導体製造装置によるレーザ光路を説明する。本装置は、複数のレーザ光源から出射したレーザ光３４〜３６を光導波路部１９の複数のコア部３９、４１Ａ〜４１Ｆに入射させることにより、光導波路部１が入射したレーザ光３４〜３６を前記複数のコア部３９、４１Ａ〜４１Ｆ内を吸収損失することなく且つ光軸方向３５Ａと直交する面内の空間的レーザ強度分布を平滑化して出射端面２２から出射し、このレーザ光がコリメートレンズ２３及びビームスプリッタ２４を通り抜け、対物レンズ２５に入り、この対物レンズ２５より強く集光されたレーザ光が、出射端面２２のパターンとして被対象物３７の被対象面２６上に所定サイズのレーザスポット２７を焦点合わせを行うように結像する。

次いで本半導体製造装置は、前記被対象物３７の被対象面２６上に結像されたレーザスポット２７の反射光をビームスプリッタ２４により直角に反射させ、この反射光をレンズ２８を通してフォーカスディテクタ２９が受光し、該フォーカスディテクタ２９が各々の該レーザスポットに対応したフォーカスエラー信号３３Ａ〜３３Ｆを生成し、このフォーカスエラー信号３３Ａ〜３３Ｆがゼロに成るようにフィードバック制御を行うことにより、被対象物３７の表面上３６にてレーザ光が最も絞られた状態（合焦点）に制御される。

この様に構成された複合光導波路部１９は、レーザスポット２７が被対象物３７の表面上３６にて合焦点時に比べて焦点ボケ時にレーザスポットサイズが大きくなる特性を利用し、レーザスポットサイズの変化をフォーカスエラー信号のレベルにて検出する。即ち、前述６つのコア部４１Ａ〜４１Ｆを通過するレーザ光の反射光を基にしたフォーカスエラー信号の一つ又は複数を用いることにより、対物レンズ２５を光軸方向（Ｚ方向）に移動制御するオートフォーカス制御が可能となり、このオートフォーカス制御を行うことにより、外乱による被対象物の変動（Ｚ方向）に対し、安定したスポットサイズを保持することができる。オートフォーカス制御に用いるコア部４１Ａ〜４１Ｆは、改質するためのレーザを通す導波路のコア３９の長手方向の中心部に位置する４１Ｂまたは４１Ｅが望ましい。

図６は、フォーカスエラー信号の電圧と被対象物面傾斜の関係図である。図６を参照すれば明らかな如く、被対象物面２６が光軸３６Ａと直交する面になく、特に被対象物面２６がレーザスポット２７の長手方向（Ｘ方向）に傾斜している場合のコア部４１Ａ〜４１Ｃから出射したレーザ光が生成するフォーカスエラー信号４３Ａ〜４３Ｃは、図６中段のコア部４１Ｂによるフォーカスエラー信号（電圧）４３Ｂがゼロであるのに対し、図６上段のコア部４１Ａによるフォーカスエラー信号（電圧）４３Ａがマイナスとなり、図６下段のコア部４１Ｃによるフォーカスエラー信号（電圧）４３Ｃがプラスとなり、このように各レーザスポットの合焦点位置４４Ａ、４４Ｂ、４４ＣはＺ軸に対し相対的にシフトした状態で検出される。

図３にて説明した如く、被対象物を改質するレーザスポットはＸ方向に細長い形状（共通クラッド部３８形状に相当）をしており、レーザスポット両端のフォーカスずれを検出することによって、レーザスポット短手方向（Ｙ方向）幅の変化を検出することができる。尚、本例においては、コア部４１Ａ〜４１Ｃから出射したレーザ光にて生成されたフォーカスエラー信号４３Ａ〜４３Ｃを用いる例を示したが、コア部４１Ｄ〜コア部４１Ｆを用いても同様のフォーカスエラー信号を得ることができる。また、Ｙ方向の両対（［４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ］と［４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆ］）のフォーカスエラー信号を検出することにより、被対象物のＹ方向の傾斜も検出することもできる。

一般に被対象物の改質は、被対象物面上に形成したレーザスポットをＹ方向に走査して行ない、安定かつ均一な改質を行なうには、被対象物面上に形成したレーザスポットを矩形とし、走査方向のレーザスポット幅が一定であることが望ましい。本実施形態による半導体製造装置は、被対象物の初期傾き調整工程において、前述レーザスポット両端のフォーカス信号を検出しながら調整することにより、確実に傾き補正を行うことができる。例えば、図６に示した合焦点ライン４５（点線）を平行ライン４６上に合致するように傾き調整することにより初期調整時に傾き補正を行うことができる。

更に本実施形態装置は、改質動作中にレーザスポット両端のフォーカスエラー信号（例えば４３Ａ、４３Ｃ）を監視することにより、改質動作中の焦点ずれをリアルタイムで検出して補正することもできる。
更に本実施形態装置は、改質動作中のフォーカス制御の安定化をはかることも可能である。これを具体的に説明する。改質前と改質後において被対象物の反射率が変化するのが一般的であり、この反射率変動がフォーカス制御の安定性を悪化させる。これを回避するため、オートフォーカス信号として改質前の反射光を選定するか又は改質後の反射率を選定するかを予め決定しておき、改質レーザスポット２７の走査方向に従い、走査する改質レーザスポット２７の先行フォーカススポット（例えば、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ）か、後行フォーカススポット（例えば、４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆ）かを切り替えることにより、常時安定した戻光量が得られ、安定したフォーカス信号が得らる。結果としてオートフォーカス制御の安定化を図ることができる。また、改質レーザスポットにて同様のフォーカスエラー信号を生成できオートフォーカス制御にも用いることもできるが、改質中の改質レーザスポットより生成したフォーカスエラー信号は乱れやすく、前述の如く別レーザスポットにて生成したフォーカスエラー信号を用いオートフォーカス制御を行うのが好適である。

尚、前述の実施形態においては、被対象物の改質を目的としたレーザ光を通す光導波路部のコア部の廻りに６個の被対象物の表面上に形成したレーザスポットのサイズを検出するためのレーザ光を通すコア部を配置する例を説明したが、これに限ることなく数量はいくつであっても良く、必要に応じ数量と配置位置を決めれば良い。また本装置は、６個のコア部全てにレーザを通すことなく必要な位置のコア部のみレーザ光を通せば良く、更に６個のコア部全てに同一波長のレーザ光を通すことに限らず、各々異なったレーザ波長を用いても良い。更に６個のコア部形状は矩形に限られるものではなく、例えば円形や長楕円形であっても良い。この場合の光導波路部の主コア部は、短手方向幅が１μm〜２０μm、長手方向幅が１ｍｍ〜６０ｍｍとした長楕円形状のするのが好ましい。

更に前述の実施形態においては、コア部サイズとコア位置を入射端面と出射端面にて同一の例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、異なっていても良い。例えば、入射端面側のコアサイズが大きく、コア間の間隔が広くても良く、出射端面において所望のコアサイズ及びコア間隔であれば良い。

［応用例］
次に本実施形態による半導体製造装置を用いて液晶ディスプレイのガラス基板上に形成したアモルファスシリコンをポリシリコンにする改質方法を、図７を参照して説明する。

この改質方法は、まず、シリコン膜を形成した絶縁基板４６を、Ｘ方向およびＹ方向の任意の位置へ任意速度で位置決め移動が可能なＸ−Ｙステージ４７上に搭載し、次いで、前述した実施形態いずれかの半導体製造装置４８を用いてレーザ光を照射し、線状レーザスポット５０の短手方向に線状レーザスポット５０が所定走査速度で走査するようにＸ−Ｙステージ４７を制御しながら、シリコン膜面上に線状レーザスポット５０を出射することにより、絶縁基板４６のシリコン膜を改質することができる。

尚、本例は、シリコン膜が形成してある絶縁基板４６側を移動することによりスポット５０を矢印５１方向に走査しているが、これに限ることなく半導体製造装置４８側をＸ方向及びＹ方向に移動させて相対的にスポット５０を走査しても良い。この場合、前記図１乃至図５のいずれかの半導体製造装置４８において、レーザ光源を離れた場所に独立に固定設置し、該レーザ光源からのレーザ光を光ファイバーを用いて本半導体製造装置のコア部に伝送させ、本半導体製造装置のみを移動させても良く、これは前記光ファイバーが一般に屈曲性を持つため容易に実現することができる。更に本発明は、半導体製造装置（レーザ照射装置）４８とシリコン膜が形成してある絶縁基板４６の両方を移動させ相対的にスポット５０を走査しても良い。

図８は、液晶ディスプレイ５３とマザーガラス５２へのレーザ走査位置の関係を説明するための図であり、図８（ａ）にディスプレイ５３の全体構成を示し、図８（ｂ）にマザーガラスを示し、前記マザーガラス５２には複数のディプレイ５３が形成されるものとする。本実施形態の対象となるディスプレイ５３は、１つのディスプレイ５３に画像表示を行うための多数の画素部５３Ａと、Ｘ方向の（液晶）画素を駆動するＸドライバー回路５５と、Ｙ方向の（液晶）画素を駆動するＹドライバー回路５６とにより構成され、前記Ｘドライバー回路５５とＹドライバー回路５６は、前述したように液晶ディスプレイ装置においては高性能ＴＦＴにより構成する必要があり、高品質なポリシリコンが要求される。

本実施形態によるレーザ照射装置およびレーザ照射方法は、前記Ｘドライバー回路５５とＹドライバー回路５６のシリコン改質を行うものであって、まず、線状レーザスポット５７、５７をＸドライバー回路５５及びＹドライバー回路５６を形成する位置にあわせた後、レーザスポットを照射しながら矢印５９及び６０方向に半導体製造装置を走査させることにより、ドライバー回路の改質を行うように動作する。尚、本実施形態における１つのドライバー回路形成部に対し、必要に応じ数回に分けて走査を行っても良い。ディスプレイ５３を切り出す前のマザーガラス５２にて、線状レーザスポットを矢印６２〜６５方向に走査を行うことにより、シリコン改質処理を行うのが好ましい。

図９はシステム・オン・ガラスディスプレイを説明するための図である。このシステム・オン・ガラスディスプレイは、Ｘドライバー回路６７、Ｙドライバー回路６８の他に、コントロール回路６９やインタフェース回路７０、更にはメモリー回路（図示なし）や演算回路７１などの高機能集積回路が前記図９と同等の構成及び方法にて形成される。当然ながら高機能回路は高品質なポリシリコンが要求され、前記図７にて説明したＸドライバー回路とＹドライバー回路のシリコン改質方法と同様の方法を用いることにより、高品質ポリシリコンを形成できる。

尚、前述の実施形態においては絶縁基板として石英ガラスや無アルカリガラスを例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではなく、プラスチック基板や屈曲可能なプラスチックシートであっても良い。また、前記実施形態では、改質対象物として液晶ディスプレイを用いたが、これに限られるものではなく、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕmｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイにも適用することができる。

以上述べた如く本実施形態による半導体製造装置は、被対象物面上に所定サイズの矩形レーザスポットと比較的高密度なレーザパワー密度および、トップフラットなレーザ強度分布を比較的簡素化された構成及び配置にて実現でき、該レーザスポットにて被対象物面を均一に改質することができる。

更に本実施形態は、マザーガラス上の所望の位置、所望の走査速度、所望の方向に前記線状レーザスポットを所望のレーザ出力にて走査させることができ、良質なシリコン膜が比較的安価で得ることができる。

本発明の一実施形態による半導体製造装置の構成図。本実施形態による光導波路部の出射端面を説明するための図。光導波路部の出射端面から出力するレーザ強度分布を説明するための図。本発明の他の実施形態による半導体製造装置の構成図。他の実施形態による複合光導波路部の出射端面を説明するための図。フォーカスエラー信号と被対象物面傾斜の関係図。本実施形態半導体製造装置の動作を説明するための図。ディスプレイとレーザ走査位置の関係を説明するための図。システム・オン・ガラスディスプレイを説明するための図。一般的な基板上構成とレーザ照射によるシリコン膜の改質を示す図。

符号の説明

１：光導波路部、２：コリメートレンズ、３：対物レンズ、４：被対象物面、５：レーザスポット、６：可変アパーチャ、１０：コア部、１１：クラッド部、１２：被対象物、１３：レーザ光、１４：光軸方向、１５：レーザ光出射端面、１６：コア部、１７：クラッド部、１８：レーザ強度分布、１９：複合光導波路部、２０：コア部、２１：クラッド部、２２：出射端面、２３：コリメートレンズ、２４：ビームスプリッタ、２５：対物レンズ、２６：被対象物面、２７：レーザスポット、２８：集光レンズ、２９：フォーカスディテクタ、３０：演算素子、３３Ａ〜３３Ｆ：フォーカスエラー信号、３４：入射、３６：表面上、３６Ａ：光軸、３７：被対象物、３８：共通クラッド部、３９：導波路、４１Ａ〜Ｃ：コア、４３Ａ：フォーカスエラー信号、４４Ａ：合焦点位置、４５：合焦点ライン、４６：平行ライン、４６：絶縁基板、４７：ステージ、４８：半導体製造装置、５０：線状レーザスポット、５０：スポット、５２：マザーガラス、５３：ディスプレイ、５３Ａ：画素部、５５：ドライバー回路、５６：ドライバー回路、５７：線状レーザスポット、５９：走査、６２：走査、６７：ドライバー回路、６８：ドライバー回路、６９：コントロール回路、７０：インタフェース回路、７１：演算回路、７２：絶縁基板、７３：アンダーコート膜、７４：アモルファスシリコン膜面、７４Ｂ：ポリシリコン、７５：線状レーザビーム。

Claims

レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
前記光導波路部が、一辺長を１μm〜２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ〜６０ｍｍとした矩形形状のコア部を出射端面に有し、
前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定する半導体製造装置。
レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
前記光導波路部が、短手方向幅が１μm〜２０μm、長手方向幅が１ｍｍ〜６０ｍｍとした長楕円形状のコア部を出射端面に有し、
前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定する半導体製造装置。
前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ−Ｖ）／ＰＸ１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とする請求項１又は２記載の半導体製造装置。
前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けた請求項１又は２又は３記載の半導体製造装置。
レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
前記光導波路部が、一辺長を１μm〜２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ〜６０ｍｍとした矩形形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、
前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定し、
前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行う半導体製造装置。
レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
前記光導波路部が、短手方向幅が１μm〜２０μm、長手方向幅が１ｍｍ〜６０ｍｍとした長楕円形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、
前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm^２以上となる値に設定し、
前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行う半導体製造装置。
前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ−Ｖ）／ＰＸ１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とする請求項５又は６記載の半導体製造装置。
前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けた請求項５又は６又は７記載の半導体製造装置。
前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行う請求項５乃至７何れかに記載の半導体製造装置。