JP2009289871A - レーザ光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光照射装置において、レーザ光端部を遮蔽した際に、レーザ光の広がりやにじみによって処理が均一になされないのを防止する。
【解決手段】レーザ光を出力するレーザ光発振器１と、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２と、半導体薄膜が形成された基板１００を載置する水平方向に移動可能なステージ４と、ステージが配置され、前記光学系を通してレーザ光が導入される処理室３を有し、該処理室内に、前記レーザ光の長軸長さよりも短い透過部１１１を有し、前記レーザ光の長軸側端部を遮蔽して前記透過部を透過するレーザ光６を半導体薄膜に照射可能とする長軸端部遮断透過体１０を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板上に成膜された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などの改質を行うレーザ光照射装置に関するものである。

従来、半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化などの改質を行うこの種の装置では、図６に示すように、処理室３内に、レーザ光が照射される基板１００を載置するステージ４が設置されており、ステージ４は、ステージ走行機構５によってＸ−Ｙ方向への移動が可能になっている。処理室３外には、処理室３内にレーザ光を出力するレーザ光発振器１とレーザ光を導く光学系２とが配置されており、光学系２から処理室３に至る間には、レーザ光スリット３０が配置されている。
上記レーザ光照射装置の動作を説明すると、レーザ光発振器１で発生したレーザ光を、光学系２を通して帯状のレーザ光６に整形し、レーザ光スリット３０を通過させる。レーザ光スリット３０は、光学系２を導かれて帯状とされたレーザ光６の長軸長さよりも短いスリット孔３０ａを有しており、レーザ光６がこのスリット孔３０ａを通過することで、強度分布が不均一な長軸方向両端部が遮蔽されたレーザ光６が、処理室３内に導かれて基板１００の半導体薄膜に照射される。

しかし、上記スリット孔３０ａを通過する際に、スリット孔３０ａの端部が回折が生じ、照射面上で干渉縞が生じてしまう。この干渉縞が半導体薄膜上に生じると、改質が均等になされないという問題が発生する。
このレーザの干渉縞を照射面上に生じさせなくするために、従来、以下の方法でビームの強度分布を均一にしてレーザビームを照射することが知られている。

（１）図７に示すように、レーザ光発振器４０から出射したレーザビーム４１は回折光学素子４２を通過し、スリット４３を通過させる。スリット４３によってビームの長軸方向の強度の弱い端部を遮断した後のビームを、投影レンズ４４及び集光レンズ４５を通じ、照射面４６に投影する。投影レンズは、スリットと照射面とが共役の関係になるように配置される。この方法によれば、スリットによる回折を防ぎ、強度が均一なレーザを照射面に照射することが可能になるとしている（特許文献１参照）。

（２）エキシマレーザ光を光学系にてラインビームに整形し、絶縁膜上の非晶質半導体膜面を走査させながらラインビームを照射することでアニールして、溶融、結晶化するエキシマレーザアニール装置中に、図８に示すように、ビーム長可変手段としての遮蔽体５１を設ける。この遮蔽体５１は、ビーム光路の非結像面に挿入したもので、複数本のラインビーム５０の長軸方向に対して斜めに設けたスリットを有しており結像前の複数本あるラインビーム５０を異なる長さにする。これにより、長さの異なるラインビーム５０を非晶質半導体膜面５２で結像させ、複数のラインビームの回折による強度分布むらを解消するとしている（特許文献２参照）。
特開２００６−３３９６３０号公報 特開２０００−５８４７８号公報

上記従来技術のうち前記（１）は、スリットを通過させて、ビームの長軸方向の強度の弱い端部を遮断した後のビームを、投影レンズ及び集光レンズを通過した後でスリットの像を照射面に投影するため、スリット設置位置と照射面に距離があり、投影レンズ及び集光レンズの設置によってもレーザラインビームに広がり及び、にじみ現象が発生し、照射面の決められた位置に鮮明な改質ラインが照射できない問題がある。また、スリットの固定された幅に対応して投影レンズ、集光レンズの位置、焦点距離が定められるため、スリット長さを変更すると、ビームの広がり程度が変わってしまうという問題もある。

また、前記（２）は、ビーム長可変手段としての遮蔽体を、ビーム光路の非結像面に挿入したもので、複数本のラインビームの長軸方向に対して斜めに設けたスリットを有しており結像前の複数本あるラインビームを異なる長さにする。これにより、長さの異なるラインビームを非晶質半導体膜面で結像させるため、レーザラインビームに広がりが発生し、照射面の決められた位置に改質ラインが照射できない問題がある。

本発明は、上記従来の技術の有する問題点を改善するものであって、ビーム結像照射面に近い位置に長軸スリットなどの長軸端部遮断透過体を設けて照射するため、レーザビーム長軸寸法の広がりがなく、ビーム端部のにじみ現象を最小限にすることを目的とするものであり、決められた位置に鮮明な表面改質ラインを施すものである。

すなわち、本発明のレーザ光照射装置のうち、第１の本発明は、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、半導体薄膜が形成された基板を載置する水平方向に移動可能なステージと、該ステージが配置され、前記光学系を通してレーザ光が導入される処理室とを有し、該処理室内に、前記レーザ光の長軸長さよりも短い透過部を有し、前記レーザ光の長軸側端部を遮蔽して前記透過部を透過するレーザ光を前記半導体薄膜に照射可能とする長軸端部遮断透過体を有していることを特徴とする。

第２の本発明のレーザ光照射装置は、前記第１の本発明において、前記長軸端部遮蔽透過体が、前記ステージに載置された搬送体薄膜に近接して前記透過部が位置することを特徴とする。

第３の本発明のレーザ光照射装置は、前記第１または第２の本発明において、前記ステージは、前記透過部を透過したレーザ光の長軸方向端部が、ステージ上に載置した半導体薄膜のトランジスタまたはダイオードの形成領域以外に照射されるように移動調整されることを特徴とする。

第４の本発明のレーザ光照射装置は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記長軸端部遮蔽透過体は、前記処理室外部から前記透過部の長さを調整可能な構造を有していることを特徴とする。

第５の本発明のレーザ光照射装置は、前記第４の本発明において、前記長軸端部遮蔽透過体が、前記透過部の長さを段階的または連続的に変更可能であることを特徴とする。

本発明によれば、処理室内に導入されたレーザ光は、長軸端部遮蔽透過体で長軸方向端部が遮蔽され、透過部の長さに従った長軸長さを有するレーザ光が透過する。この透過部をレーザ光が透過する際に、回折の影響を受けるが、長軸端部遮蔽透過体は、処理室内に配置されて、半導体薄膜との距離が小さくなるため、長軸端部遮蔽透過体を透過したレーザ光の広がり、にじみは小さくなる。長軸端部遮蔽透過体の設置位置は、処理室内であれば本発明としては特に限定されるものではないが、ステージに設置された半導体薄膜に近接して位置するのが望ましく、例えば半導体薄膜がステージとともに移動するのに支障がないように、半導体薄膜との距離が０．５ｍｍ以下となるように位置させるのが望ましい。

また、レーザ光の広がり、にじみは、長軸端部遮蔽透過体の設置位置を処理室内とすることによって防止をしており、長軸端部遮蔽透過体の透過部の長さを変更してもレーザ光の広がり、にじみの程度には影響を与えない。したがって、透過部の長さ変更を容易に行うことができる。

また、長軸端部遮蔽透過体を透過したレーザ光の長軸方向端部での広がりは小さくなっており、このレーザ光における長軸方向端部を半導体薄膜のトランジスタまたはダイオードの形成領域以外に照射されるようにステージの移動を制御することで半導体薄膜の品質に悪影響を与えることなく、上記形成領域において均等に改質を行うことができる。

また長軸端部遮蔽透過体を、前記処理室外部から前記透過部の長さを調整可能な構造を有しているものとすれば、処理室内の雰囲気を崩すことなく透過部長さの調整が可能になる。

以上説明したように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、半導体薄膜が形成された基板を載置する水平方向に移動可能なステージと、該ステージが配置され、前記光学系を通してレーザ光が導入される処理室とを有し、該処理室内に、前記レーザ光の長軸長さよりも短い透過部を有し、前記レーザ光の長軸側端部を遮蔽して前記透過部を透過するレーザ光を前記半導体薄膜に照射可能とする長軸端部遮断透過体を有しているので、レーザビーム長軸寸法の広がりが殆どなく、ビーム端部のにじみ現象を最小限にして、半導体薄膜の決められた位置に鮮明な表面改質を施すことが可能になる。
したがって、トランジスタやダイオードを製作する以外の狭い部分に、レーザ照射１回目と２回目の重ねラインを位置合わせすることを可能にする。

（実施形態１）
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。なお、上記で説明した従来装置と同様の構成について同一の符号を付して説明をする。
レーザ光照射装置であるレーザアニール処理装置は、処理室３内に、ステージ走行機構５によってＸ−Ｙ方向への移動が可能になったステージ４が設置されており、処理室３の上部にはレーザ光導入窓３ａが設けられている。
また、処理室３の外部には、レーザ光発振器１と、該レーザ光発振器１から出力されるレーザ光を導いて帯状に整形する光学系２とを有している。光学系２は、ホモジナイザやレンズ、ミラーなどによって構成され、本発明としては、その具体的構成が特に限定されるものではない。光学系２によって導かれるレーザ光６は、上記レーザ光導入窓３ａに照射されるように設定されている。

レーザ光導入窓３ａとステージ４との間には、パイプ状とした長軸端部遮断透過体１０が回転可能に配置されており、その下面はステージ４に載置される基板１００の半導体薄膜（図示しない）に近接し、かつステージ４が移動する際に支障とならない箇所に位置している。
長軸端部遮断透過体１０は、パイプ形状の透過体本体１１を有しており、該透過体本体１１の一端は処理室３の側壁に固定された固定支持バー１２が内挿されて該固定支持バー１２によって回転可能に支持されている。また、透過体本体１１の他端側は、処理室３の対向する側壁に回転可能に軸止されているとともに、該側壁に回転可能に取り付けられ、側壁外部から操作が可能な回転フランジ１４に固定されている。これにより回転フランジ１４を処理室３外部から回転操作することで、透過体本体１１を所望の回転位置に回転させることができる。なお、固定支持バー１２および回転フランジ１４と処理室３の側壁とは気密にシールされており、処理室３の気密性は確保されている。
上記のように、長軸端部遮断透過体１０をパイプ形状にすることで剛性が確保されるとともに、処理室両側壁で支えると、両端支持になり更に高剛性の長軸端部遮断透過体１０となる。また、長軸端部遮断透過体１０は、処理室３外部より回転位置を容易に設定することができ、大気中はもちろん、真空式プロセス室であっても真空雰囲気を崩すことなく操作が可能である。

透過体本体１１は、図２に詳細に示すように、上面側に導入窓３ａから導入されたレーザ光が全長で通過可能な長さを有し、かつ透過体本体１１を所定量回転させた際にもレーザ光が全幅で通過可能な幅で切り欠き１１０を有している。また透過体本体１１の下面側には、異なる長さで形成された切り欠きが周方向で位置を変えて複数形成されている。この形態では、該複数の切り欠きが周方向に連続しており、該複数の切り欠きによって本発明の透過部１１１が構成されている。なお、該複数の切り欠きは、周方向で連続することなく間隔をおいて形成されているものであってもよい。

透過体本体１１は、前記した回転フランジ１４で回転させることで、所望の長さを有する切り欠きを透過部１１１として下方側に位置させることができる。
図３に示すように、レーザ光６が導入窓３ａから処理室３内に導入されると、透過体本体１１の所定の回転範囲内では全長、全幅で上記切り欠き１１０を通過し、透過部１１１に至る。この際に透過体本体１１の下方側に位置する切り欠きでレーザ光６の両端部が遮蔽され、切り欠きの長さ分のレーザ光６が透過して、基板１００上の半導体薄膜に照射される。この状態でステージ４をステージ走行機構５で移動させることでレーザ光６が半導体薄膜上で走査される。

また、必要に応じて回転フランジ１４を回転させ、透過体本体１１の下方に位置する切り欠きの長さを変更することで、透過するレーザ光６の長軸長さを段階的に変更することができる。レーザ光６が、透過部１１１としての切り欠きのいずれを透過する場合にも、切り欠き端部を透過したレーザ光６は回折によって僅かな広がりを有するものの、透過部１１１と半導体薄膜１０１の隙間は僅かであり（例えば０．５ｍｍ以下）、透過部１１１を透過したレーザ光６が直下で薄膜半導体１０１に照射されるため、広がりやにじみによる影響は殆どない。特にレーザ光６の両端部が、半導体薄膜のトランジスタやダイオードの形成領域（予定形成領域を含む）にかからないように照射することで、良好なアニール処理がなされる。

図４に示すように、半導体薄膜１０１に上記トランジスタやダイオードの形成領域１０２が並列に設けられる場合には、形成領域１０２、１０２間の隙間にレーザ光６の両端部が位置するように照射することで、確実に良質なアニール処理が可能になる。なお、１０３は各画素であり、上記形成領域１０２を避ければ、レーザ光端部が画素領域に照射されても支障はない。なお、レーザ光の両端部は、本発明によって不均一領域として小さな領域となっており、該端部を上記形成領域間にのみ位置させることが可能になる。この不均一領域は、均一領域外に位置するものであり、例えばレーザ光の最大エネルギ密度の９６％以上の領域を均一領域、９６％未満の領域を不均一領域に区別することができる。

また、レーザ光端部を形成領域１０２、１０２間に位置させてレーザ光走査した後、並列にさらにレーザ光走査を行い、その際に、レーザ光端部を形成領域１０２、１０２間に位置させるとともに、図４に示すように前回走査時と同じ形成領域１０２、１０２間にレーザ光端部が位置するようにレーザ光端部を重ねて照射する（例えば５０〜７０μｍの重なり）ことで、いずれかの形成領域１０２にレーザ光が２度走査されてアニールの均一性が損なわれるのを回避できる。なお、形成領域１０２、１０２間に２回のレーザ光照射が行われても支障はない。これによりレーザ光の長さを大幅に越える大基板に対しても処理の均一性を損なうことなく複数回のレーザ光走査によって照射処理を行うことができる。

（実施形態２）
上記実施形態では、透過部の長さを段階的に変更可能とした長軸端部遮断透過体１０について説明したが、透過部の長さを連続的に変更可能とした長軸端部遮断透過体２０について図５に基づいて説明する。

この形態のレーザ光照射装置でステージ４上に配置される長軸端部遮断透過体２０では、処理室３の両内側壁に、内側に向けた筒形状の透過体本体２１、２１が向き合って軸方向にスライド可能で回転が規制された状態で取付られている。透過体本体２１、２１は、互いに隙間を有して位置しており、その先端部下方部には、互いの隙間によって透過部２２を形成する透過部用突き出し部２２ａ、２２ａを有しており、両者が接近または離反することで突き出し部２２ａ、２２ａ間の隙間、すなわち透過部２２の長さが変わる。

透過体本体２１、２１は、先端側の軸芯部に、軸方向に沿った雌ねじ部２１ａ、２１ａが形成されており、該雌ねじ部２１ａ、２１ａに螺合する雄ねじ部２３ａ、２３ａを先端に有する位置調整バー２３、２３が透過体本体２１、２１の軸芯部に沿って配置され、その基端側が、それぞれ処理室３の対向する側壁に回転可能に軸止されている。透過体本体２１の内周面と、位置調整バー２３の外周面との間にはスラスト軸受け２５が設けられており、透過体本体２１の安定支持に寄与している。また、位置調整バー２３、２３の基端部は、さらに、処理室３の側壁を外側に突き出して、処理室３の側壁に回転可能に取り付けられた回転フランジ２４、２４に固定されている。位置調整バー２３、２３と処理室３の側壁は気密にシールされている。

この実施形態では、回転フランジ２４、２４を回転操作することで位置調整バー２３、２３すなわち雄ねじ部２３ａが回転し、雌ねじ部２１ａを介して透過体本体２１、２１がスライド移動し、透過体本体２１、２１の突き出し部２２ａ、２２ａ間に形成される透過部２２の長さが変更される。透過部２２の長さは、回転フランジ２４、２４の回転量に応じて任意に、すなわち連続的に変更することができる。

上記長軸端部遮断透過体２０を備えるレーザ光照射装置では、前記実施形態と同様に光学系２によって帯状に整形されたレーザ光６が導入窓３ａを通して処理室３内に導入され、透過体本体２１間の上方側隙間で両端部が遮蔽され、さらに下方側に形成される透過部２２によって両端部が遮蔽されて所望のレーザ光６が基板１００上の半導体薄膜に照射される。この際に、上記実施形態と同様に透過部２２を透過することによるレーザ光の広がりやにじみによる影響は殆どない。また、透過部２２の長さを連続的に変更する際にも上記広がりやにじみの影響に変わりはなく、容易に透過部の長さを変更することができる。

以上説明本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定をされるものではなく、本発明を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

本発明の一実施形態のレーザ光照射装置を示す概略図である。 同じく、長軸端部遮断透過体を示す一部拡大正面図および側面断面図である。 同じく、長軸端部遮断透過体を透過したレーザ光の照射状況を示す一部拡大正面図および側面断面図である。 同じく、レーザ光の照射状況を示す半導体薄膜の平面図である。 本発明の他の実施形態におけるレーザ光照射装置を示す概略図である。 従来のレーザ光照射装置の概略を示す図である。 従来のレーザ光強度分布の均一化を図っているレーザ光照射装置の一例を示す概略斜視図である。 同じく、他例を示す概略正面図および平面図である。

符号の説明

１ レーザ光発振器
２ 光学系
３ 処理室
４ ステージ
５ ステージ走行機構
６ レーザ光
１０ 長軸端部遮断透過体
１１１ 透過部
２０ 長軸端部遮断透過体
２２ 透過部

Claims (5)

1. 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、半導体薄膜が形成された基板を載置する水平方向に移動可能なステージと、該ステージが配置され、前記光学系を通してレーザ光が導入される処理室とを有し、該処理室内に、前記レーザ光の長軸長さよりも短い透過部を有し、前記レーザ光の長軸側端部を遮蔽して前記透過部を透過するレーザ光を前記半導体薄膜に照射可能とする長軸端部遮断透過体を有していることを特徴とするレーザ光照射装置。
2. 前記長軸端部遮蔽透過体は、前記ステージに載置された搬送体薄膜に近接して前記透過部が位置することを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
3. 前記ステージは、前記透過部を透過したレーザ光の長軸方向端部が、ステージ上に載置した半導体薄膜のトランジスタまたはダイオードの形成領域以外に照射されるように移動調整され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装置。
4. 前記長軸端部遮蔽透過体は、前記処理室外部から前記透過部の長さを調整可能な構造を有してい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装置。
5. 前記長軸端部遮蔽透過体は、前記透過部の長さを段階的または連続的に変更可能であることを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射装置。

Images