JP2009283691A - レーザ光照射方法およびレーザ光照射装置 - Google Patents

レーザ光照射方法およびレーザ光照射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】大面積の半導体薄膜を複数回のレーザ光走査によってレーザ光照射することを可能にする。
【解決手段】薄膜ダイオードまたは薄膜トランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜に、帯状レーザ光を照射し、該レーザ光短軸方向に半導体薄膜を相対的に移動させて前記レーザ光を半導体薄膜上で走査するレーザ光照射方法において、前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の走査を行う。レーザ光の複数回走査において、不均一領域となるレーザ光端部が薄膜トランジスタ等の形成領域にかかることなく形成領域間に位置し、薄膜トランジスタ等の特性を均一にすることができる。さらにレーザ光の長さに制限されない大面積パネルを作製できる。
【選択図】図４

Description

この発明は、基板上に成膜され、薄膜ダイオードまたは薄膜トランジスタがマトリックス状に形成され、または形成が予定される半導体薄膜に帯状のレーザ光を照射して、例えば基板上に形成されたアモルファス膜を結晶化させるレーザ光照射方法およびレーザ光照射装置に関するものである。
半導体装置の製造工程を低温プロセス化する方法の一環として、レーザ光を用いたレーザアニールが行われている。この方法は、絶縁基板上に成膜された非晶質シリコン等の半導体薄膜にレーザ光を照射して局部的に加熱溶融した後、その冷却過程で半導体薄膜を結晶化するものである。この結晶化した半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集積形成する。結晶化した半導体薄膜はキャリアの移動度が高くなるため薄膜トランジスタを高性能化できる。
レーザアニールでは絶縁基板上に成膜された半導体薄膜に帯状に整形したレーザ光（レーザビーム）を照射し、レーザ光の短軸方向に絶縁基板を移動してレーザ光の走査を行う。このとき、レーザ光の照射領域を短軸方向に部分的にオーバーラップさせることにより、レーザ光の長軸よりもサイズの大きい半導体薄膜の結晶化を均一に行うことができる（例えば特許文献１参照）。
ところで、最近では、スループットを向上させるために、大面積化された基板に複数パターンで半導体薄膜を形成し、これを一台の照射装置で処理する方法も行われている。しかし、レーザ光発振器により出力されて帯状に整形されるレーザ光の長軸方向長さには限度があるため、レーザ光の走査を並行して複数回行うことで、大面積化された基板へのレーザ光照射を行うことができる。なお、この際に、帯状に整形されたレーザ光では、端部にエネルギの減衰領域を有するため、これを用いて上記のように複数回の走査を行うと、均一なアニールが困難になる。これは減衰領域によリアニールされた領域とレーザ光のエネルギ密度の均一性が高い領域によってアニールされた領域とでは結晶性が異なるためである。このため、スリットなどを用いてレーザ光の長軸方向にある減衰領域を除去した後、該レーザ光を半導体薄膜に照射することで均一なアニール処理を可能にしている（特許文献２参照）。
特開平９−３２１３１１号公報 特開２００４−９５７２７号公報
ところで、薄膜ダイオードや薄膜トランジスタがマトリックス状に配置される半導体薄膜では、例えスリットなどによって減衰領域を除去するなどしてエネルギ密度の均一化を図ったものでも、レーザ光の端部では、スリット端部での回折などの影響もあって微小ながらも減衰領域が残存している。このレーザ光の端部がマトリックス状に配置された薄膜トランジスタなどの形成領域にかかると、該レーザ光端部によリアニールされた領域で作製されるＴＦＴの電気的特性が低下し、同一基板内におけるＴＦＴのばらつきの要因となる。
以上のように、薄膜トランジスタなどがマトリックス状に配置されたパネルでは、レーザ光長軸よりも大きなパネルを作製することはできなかった。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、大面積化された半導体薄膜においても、多数の薄膜トランジスタなどの特性を均一にすることができるレーザ光照射方法およびレーザ光照射装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明のレーザ光照射方法のうち、第１の本発明は、基板上に成膜され、薄膜ダイオードまたは薄膜トランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜に、帯状のレーザ光を照射し、該レーザ光の短軸方向に前記半導体薄膜を相対的に移動させて前記レーザ光を前記半導体薄膜上で走査するレーザ光照射方法において、前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の走査を行うことを特徴とする。
第２の本発明のレーザ光照射方法は、前記第１の本発明において、前記レーザ光の走査に際し、前記レーザ光の長軸方向端部にあるエネルギ密度不均一領域を、前記形成領域間にのみ位置させることを特徴とする。
第３の本発明のレーザ光照射方法は、前記第１または第２の本発明において、前記レーザ光は、最高エネルギ密度の９６％以上をエネルギ密度均一領域とし、最高エネルギ密度の９６％未満をエネルギ密度不均一領域とすることを特徴とする。
第４の本発明のレーザ光照射方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、 前記レーザ光の照射および走査によるレーザ光照射領域に隣接してさらにレーザ光を照射および走査する際に、隣接するレーザ光走査領域は、同一の前記形成領域間においてのみ重なり部分を有することを特徴とする。
第５の本発明のレーザ光照射方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記形成領域は、既にダイオードまたはトランジスタが形成され、または形成される途中の領域もしくは後工程でダイオードまたはトランジスタが形成される予定領域であることを特徴とする。
第６の本発明のレーザ光照射方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記半導体薄膜に対するマーキングを設けておき、該マーキングを検知して該マーキングに基づいて配列されるダイオードまたはトランジスの形成領域の位置を判定し、該判定結果に基づいて前記レーザ光の照射位置を決定することを特徴とする。
第７の本発明のレーザ光照射装置は、レーザ光を出力するレーザ光発振器と、該レーザ光発振器から出力されるレーザ光を導いて帯状のレーザ光に整形する光学系と、基板上に成膜され、ダイオードまたはトランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜を載置して少なくともＸ、Ｙ軸方向に移動させる移動装置と、前記基板側に設けられたマーキングを位置情報とともに検知する検知部と、前記マーキングを基準にして配置される前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域の位置を判定する位置データを記憶する記憶部と、前記検知部によるマーキング位置情報と前記記憶部に記憶された前記位置データとから、前記形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の照射位置および／または前記移動台の移動位置を制御する制御部を備えることを特徴とする。
第８の本発明のレーザ光照射装置は、前記第７の本発明において、前記制御部は、前記半導体薄膜に対するレーザ光走査をレーザ光の長軸方向に位置をずらして行わせるとともに、該レーザ光走査による隣接するレーザ光走査領域が同一の前記形成領域間においてのみ重なり部分を有するように前記レーザ光の照射位置および／または前記移動台の移動位置を制御することを特徴とする。
以上説明したように、本発明のレーザ光照射方法によれば、基板上に成膜され、薄膜ダイオードまたは薄膜トランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜に、帯状のレーザ光を照射し、該レーザ光の短軸方向に前記半導体薄膜を相対的に移動させて前記レーザ光を前記半導体薄膜上で走査するレーザ光照射方法において、前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の走査を行うので、レーザ光の複数回走査において、不均一領域となるレーザ光端部が薄膜トランジスタ等の形成領域にかかることなく形成領域間に位置し、薄膜トランジスタ等の特性を均一にすることができる。これにより、レーザ光の長さに制限されない大面積のパネルを作製できる。ひいては、基板サイズに相当する大画面ＴＶを製作することを可能とする大面積化対応の技術である。
また、本発明のレーザ光照射装置によれば、レーザ光を出力するレーザ光発振器と、該レーザ光発振器から出力されるレーザ光を導いて帯状のレーザ光に整形する光学系と、基板上に成膜され、ダイオードまたはトランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜を載置して少なくともＸ、Ｙ軸方向に移動させる移動台と、前記基板側に設けられたマーキングを位置情報とともに検知する検知部と、前記マーキングを基準にして配置される前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域の位置を判定する形成領域位置データを記憶する記憶部と、前記検知部によるマーキング位置情報と前記記憶部に記憶された前記形成領域位置データとから、前記形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の照射位置および前記移動台の移動位置を制御する制御部を備えるので、前記形成領域間の位置を正確に求めてレーザ光の走査を行うことができ、上記レーザ光照射方法を確実に実行して薄膜トランジスタ等の特性が均一な半導体薄膜を得ることができる。
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１は、本発明のレーザ光照射装置としてレーザアニール処理装置１を示すものであり、以下に説明する。
レーザアニール処理装置１は、レーザ光を半導体薄膜に照射して処理する処理室２を備えており、該処理室２は、室内雰囲気を窒素または真空にしてレーザ照射を行うことにより、アモルファスシリコン薄膜をポリシリコン薄膜に結晶化するものである。
該処理室２内には、半導体薄膜２１を成膜した基板２０が載置される移動装置３を備えており、処理室２上部壁には外部からレーザ光を導入するレーザ光導入窓４が設けられている。また、処理室２内には、レーザ光導入窓４から導入される帯状のレーザ光よりも長軸長さが短いスリットを有するスリット板５が備えられている。レーザ光は、このスリット板５のスリットを透過することで長軸方向両端が遮断されて減衰領域が除去される。このスリット板５は、できるだけ半導体薄膜に近い位置に設置するのが望ましい。これによりスリット端部で生じる回折の拡がりを小さくすることができる。
また、処理室２の外部には、レーザ発振器１０と該レーザ発振器１０から出力されるレーザ光１２を処理室２内に導く光学系１１が配置されている。光学系１１は、レンズ群１１ａやミラー１１ｂなどにより構成される。
さらに、処理室２内には、移動装置３上の基板２０に設けられたマーキング（図示しない）を読み取る検知部６が設けられている。マーキングは、例えば、十字マークなどにより構成され、検知部６は、ＣＣＤカメラと画像処理装置などにより構成されてマーキングの位置情報を取得することができる。
また、レーザアニール処理装置１は、移動装置３の移動など装置全体の制御が可能な制御部７を有しており、該制御部７は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラム、ＲＯＭ、ＲＡＭなど（いずれも図示しない）により構成される。制御部７は、上記検知部６の検知結果を受けて、移動装置３上に載置された半導体薄膜２１におけるマーキング位置情報を取得することができる。
また、制御部７には、記憶部８が接続され、データの読み書きが可能になっている。該記憶部８には、半導体薄膜２１における薄膜ダイオードや薄膜トランジスタの形成領域に関する位置データが記憶される。該位置データは、前記マーキングに対する座標の表示であっても良く、また形成領域のパターンを示すデータであっても良い。要は、個々の形成領域間の隙間位置を判定できるものであればよい。なお、位置データとしては、製品毎などに応じて、複数用意されるものであってもよい。
記憶部８は、不揮発にデータを保持するフラッシュメモリやＨＤＤなどにより構成することができ、また、カードメモリ、ＵＳＢメモリなどを用いた外部記憶装置により構成するものであってもよい。
次に、上記レーザアニール処理装置の動作を説明する。
先ず、検知部６によって基板２０のマーキング位置を検知し、検知結果を制御部７に送出する。制御部７では、検知結果によって前記マーキングの位置情報を取得する。次いで、記憶部８からＴＦＴ形成領域２１１に関する位置データを取得し、個々のＴＦＴ形成領域２１１、２１１間の隙間２１１ａの位置を特定する。なお、ＴＦＴ形成領域２１１は、既にＴＦＴが形成されている領域でもよく、また、ＴＦＴを形成する途中における形成予定領域でもよく、また、後工程でＴＦＴを形成する予定領域であっても良い。
上記隙間２１１ａの位置と、スリット板５で整形されたレーザ光１２の長軸長さとから、レーザ光１２の長軸方向端部がＴＦＴ形成領域２１１、２１１間の隙間２１１ａに位置するように走査位置を決定する。この際に、レーザ光の長軸方向における不均一領域が全て上記隙間２１１ａに位置するように移動装置３の移動位置を調整する。なお、ここで不均一領域とは、前記したように、レーザ光の最大エネルギ密度に対し、９６％未満のエネルギ密度となる両端部の領域をいう。
上記の位置設定後、レーザ発振器１０で発生したレーザ光１２を、光学系１１、レーザ光導入窓４を通して処理室２内に導入し、スリット板５でレーザ光長軸方向両端部を除去する。これにより、図２に示すようにレーザ光の長軸方向両端部の緩やかな減衰領域が除去される。ただし、スリットを通過する際に端部での回折が生じるため、図２に示すように、レーザ光の長軸両端部に多少の不均一領域が急峻な形状で生じることは避けられない。
このレーザ光１２を上記半導体薄膜２１に照射する際には、半導体薄膜２１の大きさにもよるが、この実施形態では、レーザ光の長軸方向に位置をずらして２回の走査を行う。該走査においては、図３、４に示すように走査領域１２Ｓ１と走査領域１２Ｓ２とが、端部同士で重なり合い、かつ重なり部分が同一の隙間２１１ａに位置するように、制御部７によって移動装置３の位置および移動を制御する。
該レーザ光の走査では、図４に詳細に示すように、該走査領域１２Ｓ１においてＴＦＴ形成領域２１１、２１１間の隙間２１１ａに、レーザ光１２の端部にある不均一領域の全てが照射され、同じく、走査領域１２Ｓ２において同じ隙間２１１ａに、レーザ光１２の端部にある不均一領域の全てが照射され、両走査領域１２Ｓ１、１２Ｓ２の重なりが同一の隙間２１１ａに位置している。この結果、各ＴＦＴ形成領域２１１では、レーザ光１２の均一領域が一度照射されるのみであり、各ＴＦＴ形成領域２１１において均一な特性を得ることができる。また、上記隙間２１１ａは、各画素エリア２１０内に位置するが、ＴＦＴ形成領域２１１を除く画素エリア２１０では、レーザ光が不均一エネルギによって照射されても半導体薄膜としての特性には悪影響を与えない。
なお、この実施形態では、半導体薄膜２１に対し、２回のレーザ光走査によって処理を行うものとしたが、半導体薄膜のサイズによっては、３回以上のレーザ光走査を行っても良く、その際にも、各走査領域が同一のＴＦＴ形成領域間で重なるように走査を行う。
また、この実施形態では、ＴＦＴ形成領域を有する半導体薄膜へのレーザ光照射として説明を行ったが、薄膜ダイオード形成領域を有する半導体薄膜へのレーザ光照射においても同様に適用が可能である。
また、この実施形態では、レーザ光を照射してアモルファス薄膜を結晶化するアニール処理およびその処理装置について説明をしたが、本発明がアニール処理に限定をされるものではない。
本発明の一実施形態のレーザアニール処理装置を示す概略図である。 同じく、整形されたレーザ光プロフィルを示す図である。 同じく、レーザ光照射時の走査領域を示す図である。 同じく、走査領域端部の詳細を示す図である。
符号の説明
１ レーザアニール処理装置
２ 処理室
３ 移動装置
５ スリット板
７ 制御部
８ 記憶部
１０ レーザ発振器
１１ 光学系
１２ レーザ光
１２Ｓ１ 走査領域
１２Ｓ２ 走査領域
２０ 基板
２１ 半導体薄膜
２１０ 画素エリア
２１１ ＴＦＴ形成領域
２１１ａ 隙間

Claims (8)

  1. 基板上に成膜され、薄膜ダイオードまたは薄膜トランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜に、帯状のレーザ光を照射し、該レーザ光の短軸方向に前記半導体薄膜を相対的に移動させて前記レーザ光を前記半導体薄膜上で走査するレーザ光照射方法において、
    前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の走査を行うことを特徴とするレーザ光照射方法。
  2. 前記レーザ光の走査に際し、前記レーザ光の長軸方向端部にあるエネルギ密度不均一領域を、前記形成領域間にのみ位置させることを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射方法。
  3. 前記レーザ光は、最高エネルギ密度の９６％以上をエネルギ密度均一領域とし、最高エネルギ密度の９６％未満をエネルギ密度不均一領域とすることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光照射方法。
  4. 前記レーザ光の照射および走査によるレーザ光照射領域に隣接してさらにレーザ光を照射および走査する際に、隣接するレーザ光走査領域は、同一の前記形成領域間においてのみ重なり部分を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光照射方法。
  5. 前記形成領域は、既にダイオードまたはトランジスタが形成され、または形成される途中の領域もしくは後工程でダイオードまたはトランジスタが形成される予定領域であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光照射方法。
  6. 前記半導体薄膜に対するマーキングを設けておき、該マーキングを検知して該マーキングに基づいて配列されるダイオードまたはトランジスの形成領域の位置を判定し、該判定結果に基づいて前記レーザ光の照射位置を決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ光照射方法。
  7. レーザ光を出力するレーザ光発振器と、該レーザ光発振器から出力されるレーザ光を導いて帯状のレーザ光に整形する光学系と、基板上に成膜され、ダイオードまたはトランジスタがマトリックス状に配列される半導体薄膜を載置して少なくともＸ、Ｙ軸方向に移動させる移動装置と、前記基板側に設けられたマーキングを位置情報とともに検知する検知部と、前記マーキングを基準にして配置される前記ダイオードまたはトランジスタの個々の形成領域の位置を判定する位置データを記憶する記憶部と、前記検知部によるマーキング位置情報と前記記憶部に記憶された前記位置データとから、前記形成領域間に前記レーザ光の長軸方向端部が位置して該レーザ光の長軸方向端縁が外側の前記形成領域に至らないように前記レーザ光の照射位置および／または前記移動台の移動位置を制御する制御部を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。
  8. 前記制御部は、前記半導体薄膜に対するレーザ光走査をレーザ光の長軸方向に位置をずらして行わせるとともに、該レーザ光走査による隣接するレーザ光走査領域が同一の前記形成領域間においてのみ重なり部分を有するように前記レーザ光の照射位置および／または前記移動台の移動位置を制御することを特徴とする請求項７記載のレーザ光照射装置。
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